一種改進(jìn)的適用于BaY₂F₈單晶體生長(zhǎng)的溫度梯度法及其裝置的制作方法

專利名稱：一種改進(jìn)的適用于BaY₂F₈單晶體生長(zhǎng)的溫度梯度法及其裝置的制作方法
一種改進(jìn)的適用于BaY2Fs單晶體生長(zhǎng)的溫度梯度法及其裝置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子信息材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種重金屬氟化物 BaY2F8單晶體及摻雜的BaY2F8單晶體的溫度梯度法生長(zhǎng)及其使用的小錐角坩堝和對(duì)單晶 生長(zhǎng)裝置的改進(jìn)。背景技術(shù)：
從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法主要有提拉法、坩堝下降法、溫度梯度法(本 發(fā)明中或簡(jiǎn)稱為溫梯法)、焰熔法、區(qū)熔法及激光基座法等，其中提拉法(又稱為丘克拉 斯基法)應(yīng)用得最為廣泛，它的創(chuàng)始人是J. Czochralski。另一方面，重金屬氟化物BaY2F8 單晶體是一種有潛力的光電子材料，目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)所報(bào)道的BaY2Fs單晶體的生長(zhǎng)均 采用的是提拉法[1，2'3，4]。由于熔點(diǎn)附近的BaY2F8熔體粘稠，流動(dòng)性差，對(duì)流效果不明顯， 加之在真空度不足時(shí)氟化物極易氧化而形成的雜質(zhì)漂浮在熔體表面，致使提拉法生長(zhǎng)此種 晶體時(shí)，極易造成組分過冷，放肩困難，難以生長(zhǎng)出高質(zhì)量、大尺寸的單晶體。近年來， 國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中已有用提拉法來生長(zhǎng)BaY2Fs單晶體的報(bào)道，但都存在長(zhǎng)大率低、尺寸小等問 題。從BaY2F8結(jié)晶的習(xí)性來看，提拉法生長(zhǎng)不是最為有效的方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種改進(jìn)的溫 度梯度法生長(zhǎng)BaY2F8單晶體及摻雜的BaY2F8單晶體、以及該方法使用的小錐角坩堝及對(duì) 相關(guān)晶體生長(zhǎng)裝置的改進(jìn)。本發(fā)明應(yīng)用特殊設(shè)計(jì)的小錐角坩堝及其單晶生長(zhǎng)裝置，使用一種改進(jìn)的溫度梯度法生 長(zhǎng)BaY2F8單晶體，在特定的溫度梯度和降溫速率下，利用此法可生長(zhǎng)出質(zhì)量良好的BaY2F8 單晶體，在溫場(chǎng)和降溫速率合適的前提下，晶體的體積大小原則上隨坩堝的體積大小及所 添加的原料多少而定。本發(fā)明提供的用于BaY2F8單晶體及摻雜的BaY2F8單晶體的溫度梯度法生長(zhǎng)的小錐角 坩堝的底部為引晶毛細(xì)管道，毛細(xì)管道的直徑為2.5 3.5mm，其長(zhǎng)度大于20mm;坩堝中 部的放肩部分為倒立的圓錐形，圓錐的頂角為25。 35。，放肩部分與引晶毛細(xì)管道之間的 銜接部設(shè)計(jì)成弧面圓角；坩堝上部的等徑部分的長(zhǎng)度大于10mm。小錐角坩堝采用高純度石墨制成，以保證爐膛內(nèi)為還原性氣氛。小錐角坩堝的頂部加 裝坩堝蓋，以防止原料的揮發(fā)。一種含有上述的小錐角坩堝的經(jīng)過改進(jìn)的單晶生長(zhǎng)裝置，該單晶生長(zhǎng)裝置包括一個(gè)如 上所述的小錐角坩堝和一個(gè)用不銹鋼制成的中空底座，底座上安置一個(gè)環(huán)狀的氧化鋁陶瓷 板，爐膛中心設(shè)有一個(gè)鉬制的坩堝托(水冷鉬托)，環(huán)狀陶瓷板與鉬托之間留有不小于 2cm的空隙。小錐角柑堝置于水冷鉬托之上，小錐角柑堝外周為加熱鎢棒，小錐角坩堝及 其外周的加熱鎢棒置于頂部開孔的多層鉬皮保溫桶之中。經(jīng)過改進(jìn)的單晶生長(zhǎng)爐內(nèi)的軸向 溫度梯度不低于6'C/mm。一種改進(jìn)的BaY2F8單晶體溫度梯度生長(zhǎng)法，該方法的步驟如下第一、將高純的BaF2、 YF3按1 : 2的摩爾配比稱量、研磨均勻、干燥后置于如上所 述的單晶生長(zhǎng)裝置的小錐角坩堝內(nèi)；第二、將上述裝有原料的小錐角坩堝安裝于上述的經(jīng)過改進(jìn)的單晶生長(zhǎng)裝置(爐)內(nèi)。 將爐膛抽真空至爐膛內(nèi)氣壓低于5xl0—3Pa后，充入高純氬氣作保護(hù)氣體。加熱升溫至 1200°C，并在此溫度下保溫2小時(shí)；第三、以使得晶體生長(zhǎng)速度不高于1.8mm/小時(shí)的降溫速率進(jìn)行降溫并生長(zhǎng)晶體。預(yù) 計(jì)全部原料長(zhǎng)成晶體后，快速降溫至20(TC左右，切斷電源。當(dāng)整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)冷卻至室溫 時(shí)，關(guān)閉冷卻水，打開爐膛，即可獲得BaY2F8單晶體。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、 本發(fā)明提供的小錐角坩堝溫梯法生長(zhǎng)BaY2F8單晶體的方法克服了 BaY2Fs晶體原 料在熔點(diǎn)附近極度粘稠、流動(dòng)性差、因而不宜使用提拉法生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，依賴本發(fā)明建議的 措施和條件，通過單純的降溫，BaY2Fs晶體原料可以自動(dòng)結(jié)晶為單晶體，且晶體質(zhì)量良好、 尺寸大。2、 本發(fā)明方法操作方便、效率高、節(jié)省原料。本發(fā)明提供的方法易于自動(dòng)控制，使 得整個(gè)生長(zhǎng)過程變得方便、流暢、高效，基本無尾料剩余。3、 本發(fā)明不僅適合BaY2Fs單晶體的生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它也適合摻入雜質(zhì)(如各 種稀土離子)的BaY2F8單晶體的生長(zhǎng)。
圖1是本發(fā)明方法使用的小錐角石墨坩堝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明方法中單晶生長(zhǎng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是經(jīng)過改進(jìn)的單晶爐內(nèi)的軸向溫場(chǎng)分布曲線； 圖4是使用本發(fā)明方法生長(zhǎng)的Er:BaY2Fs單晶體照片。其中，l.控溫?zé)崤迹?.氧化鋁板；3.測(cè)溫?zé)崤迹?.頂部開孔；5.保溫鉬皮；6.加熱鎢棒；7.石墨坩 堝；8.下部開孔；9.水冷鉬托；IO.不銹鋼底座；11.小頂角約29度；12.坩堝蓋；13.坩堝外壁；14.放肩 部分；15.連接弧面；16.引晶部分。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1、小錐角坩堝的獨(dú)特設(shè)計(jì)坩堝設(shè)計(jì)如圖1所示。坩堝的底部為引晶毛細(xì)管道，其直徑為2mm。此種尺度直徑 的毛細(xì)管有利于晶體的自發(fā)結(jié)晶過程中單一生長(zhǎng)方向的選擇，如果直徑過小，所產(chǎn)生的表 面張力將導(dǎo)致熔體難以進(jìn)入毛細(xì)管道。本例引晶毛細(xì)管道的長(zhǎng)度為30mm。坩堝的中部(放 肩部分)為倒立的圓錐形，其特點(diǎn)是圓錐的頂角為小角度張角，約為29°。這不同于其它 晶體(如CaF2、 NaF等晶體)的溫梯法生長(zhǎng)中所用坩堝的放肩部分的錐角。相關(guān)的理論計(jì) 算表明，此處設(shè)計(jì)的圓錐頂角的角度符合了 BaY2F8晶體的結(jié)晶特性，有利于自發(fā)結(jié)晶過 程中單一生長(zhǎng)方向的選擇，是得到良好質(zhì)量晶體的關(guān)鍵所在。放肩部分與引晶毛細(xì)管之間的銜接部設(shè)計(jì)成弧面圓角，此種設(shè)計(jì)使得晶體生長(zhǎng)由引晶 到放肩不易發(fā)生突變，保證晶體生長(zhǎng)的完整性。坩堝的上部(等徑部分)的長(zhǎng)度根據(jù)具有恒定軸向溫度梯度的空間范圍設(shè)定，本實(shí)例 中為40mm 。所用坩堝用高純度石墨制成，以保證爐膛內(nèi)為還原性氣氛。 坩堝頂部加有坩堝蓋，以防止原料的揮發(fā)。實(shí)施例2、溫度梯度及測(cè)試適當(dāng)?shù)臏囟忍荻仁菧靥莘ㄉL(zhǎng)BaY2F8晶體的關(guān)鍵因素之一。圖2所示為本發(fā)明方法 中單晶生長(zhǎng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。采用真空鎢棒電阻加熱，坩堝安放在發(fā)熱體正中，發(fā)熱體 四周用多層同心鉬皮圓桶保溫。底座為不銹鋼制品，底座上方加置環(huán)狀氧化鋁陶瓷板。環(huán)狀陶瓷板與坩堝托之間留有不小于2cm的空隙。鉬皮保溫桶的頂部開孔及氧化鋁陶瓷板的中心留有空隙，是本發(fā)明的特點(diǎn)之一，其目 的是有利于形成較大的和較長(zhǎng)距離的軸向溫度梯度。圖3為實(shí)際測(cè)量的溫度梯度曲線。實(shí)施例3、摻E一+的重金屬氟化物BaY2Fs單晶體的溫梯法生長(zhǎng)1，備料將高純的BaF2、 YF3按1 :2的摩爾配比稱量，并加入2 mol.。/。的ErF3，在瑪瑙研缽中研磨混合均勻，烘干備用。 2，裝爐把準(zhǔn)備好的原料裝入小錐角石墨坩堝。3，抽真空將爐膛抽真空至爐膛內(nèi)氣壓低于5xl(^Pa后，充入高純氬氣作保護(hù)氣體。 4，熔料加熱升溫至1200°C，并在此溫度下保溫2小時(shí)，以確保原料完全熔化，混 合均勻。5，降溫使用SHIMADEN公司產(chǎn)的FP93自動(dòng)控溫儀，按4 'C/小時(shí)的速率均勻降溫， 以進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。由于預(yù)先調(diào)整的爐膛內(nèi)溫度梯度為8 °C/mm，實(shí)際晶體的生長(zhǎng) 速度為0.5mm/小時(shí)。其中，由開始結(jié)晶到引晶完成的過程約需30小時(shí)。6，斷電預(yù)計(jì)全部原料長(zhǎng)成晶體后，快速降溫至200'C左右，切斷電源。7，取晶當(dāng)整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)冷卻至室溫時(shí)，關(guān)閉冷卻水，打開爐膛，即獲得2 mol.% Er:BaY2Fs單晶體。圖4為使用小錐角溫梯法生長(zhǎng)的Ei^:BaY2F8單晶體的照片。參考文獻(xiàn)[1] L. F. Johnson and H. J. Guggenheim. New Laser Lines in the'Visible from Er3+ Ions inBaY2F8[J].^p/.戶一.Z:欲'1972, 20(12): 474 [2] L. F. Johnson and H. J. Guggenheim. Electronic- and Phonon-Terminated Laser Emissionfrom Ho3+ in BaY2F8. [J].IEEE Jomatw/ o/gi m/ww ￡/e"raw/c_s, 1974， QE-10(4): 442 [3] A. A. Kaminskii, S. E. Sarkisov, F. Below, et al. Spectroscopic and Laser Properties ofEr3+-doped Monoclinic BaY2F8 Single Crystals[J]. C(p"aj/朋d gwa幽m _￡7e"raw/c5, 1990,22: 95-105[4] A.Baraldi, R.Cpelletti. Role of Er3+ concentration in high-resolution spectra of BaY2F8 single crystals.尸/z"/ca/ i ev/ew B 72, 2005, 075132.
權(quán)利要求
1、一種適用于BaY2F8單晶體及摻雜的BaY2F8單晶體的溫度梯度法生長(zhǎng)的小錐角坩堝，其特征在于，該小錐角坩堝的底部為引晶毛細(xì)管道，毛細(xì)管道的直徑為2.5～3.5mm，其長(zhǎng)度大于20mm；坩堝中部的放肩部分為倒立的圓錐形，圓錐的頂角為25°～35°，放肩部分與引晶毛細(xì)管道之間的銜接部設(shè)計(jì)成弧面圓角；坩堝上部的等徑部分的長(zhǎng)度大于10mm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小錐角坩堝，其特征在于，小錐角坩堝采用高純度石墨制 成，以保證爐膛內(nèi)為還原性氣氛。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小錐角坩堝，其特征在于，小錐角坩堝的頂部加裝坩 堝蓋，以防止原料的揮發(fā)。
4、 一種含有權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的小錐角坩堝的、經(jīng)過改進(jìn)的單晶生長(zhǎng)裝置， 其特征在于，在現(xiàn)有的單晶生長(zhǎng)裝置的鉬皮保溫桶的頂部開孔及在氧化鋁陶瓷板與鉬制的 坩堝托之間留有不小于2cm的空隙，以便有利于形成較大的和較長(zhǎng)距離的軸向溫度梯度。
5、 一種改進(jìn)的溫度梯度法生長(zhǎng)BaY2Fs單晶體及摻雜的BaY2F8單晶體的方法，其特 征在于(1)使用含有權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的小錐角坩堝及權(quán)利要求4中所述的 改進(jìn)的單晶生長(zhǎng)裝置；(2)爐膛內(nèi)軸向溫度梯度不小于6。C/mm; (3)以使得晶體生長(zhǎng) 速度不高于1.8mm/小時(shí)的降溫速率進(jìn)行降溫并生長(zhǎng)晶體。
全文摘要
一種改進(jìn)的適用于BaY₂F₈單晶體生長(zhǎng)的溫度梯度法、以及該方法使用的小錐角坩堝及相關(guān)單晶生長(zhǎng)裝置的改進(jìn)。本發(fā)明提供的小錐角坩堝用高純石墨制成，坩堝中部的放肩部分呈倒立的圓錐形，圓錐的頂角為25°～35°。該單晶生長(zhǎng)裝置包括一個(gè)如上所述的小錐角坩堝和其他改進(jìn)的相關(guān)裝置。其他相關(guān)裝置的主要改進(jìn)點(diǎn)在于，在鉬皮保溫桶的頂部開孔、及在氧化鋁陶瓷板與鉬制坩堝托之間留有不小于2cm的空隙。該改進(jìn)的生長(zhǎng)BaY₂F₈單晶體的溫度梯度法的要點(diǎn)是在不低于6℃/mm的軸向溫度梯度下，以使得晶體生長(zhǎng)速度不高于1.8mm/小時(shí)的降溫速率進(jìn)行降溫并生長(zhǎng)晶體。本發(fā)明方法也適合各類摻雜的BaY₂F₈單晶體的生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C30B11/00GK101275272SQ200710151180
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者偉 孫, 張守超, 李廣慧, 李文潤(rùn), 阮永豐 申請(qǐng)人:天津大學(xué)