專利名稱：一種摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片及其制備方法
技術領域：
本發明屬于光電材料領域，具體涉及一種摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片及其制備方法。
背景技術：
鈮酸鋰(LiNbO3，簡稱LN)晶體由于具有優良的壓電、鐵電、非線性、電光等性能，被廣泛應用于聲表面波、電光、聲光、存儲等器件。鈮酸鋰晶體具有較寬的結晶固溶區(Li摩爾百分含量可以為42 50mol%)。根據Li的摩爾百分含量不同，將鈮酸鋰晶體分為以下幾類當Li摩爾百分含量為48. 6mol%時，鈮酸鋰晶體為同成分配比，稱為同成分鈮酸鋰晶體，簡稱CLN ;當Li摩爾百分含量大于49. 9mol%時，一般稱其近化學計量比鈮酸鋰晶體，簡稱NSLN ;當Li克分子含量為50%時，稱為化學計量比鈮酸鋰晶體，簡稱SLN ;當Li摩爾百分含 量小于48. 6mol%時,為富銀銀酸鋰晶體。隨著晶體應用領域的不斷擴大，人們對鈮酸鋰晶體的質量和性能提出了越來越高的要求。研究表明，含氧化鎂的鈮酸鋰晶體比未摻鎂的鈮酸鋰具有更高抗光損傷能力，和更低的疇反轉電壓，從而在制作光學超晶格(以下簡稱PPLN)器件應用中得到青睞。摻氧化鎂的鈮酸鋰晶體中Li含量越高，本征缺陷濃度越低，晶體的光學性能越好；鎂含量越高，疇反轉電壓越低。因此科研界關注的幾種摻氧化鎂鈮酸鋰晶體(摻鎂濃度超過閾值)抗光損傷能力從大至小排列
摻氧化鎂化學計量比鈮酸鋰晶體(MgO:SLN) >摻氧化鎂近化學計量比鈮酸鋰晶體(MgOiNSLN) >摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體(MgO = CLN) >摻氧化鎂富鈮的鈮酸鋰晶體。上述幾種晶體疇反轉電壓從小至大排列
摻氧化鎂化學計量比鈮酸鋰晶體(MgO:SLN) <摻氧化鎂近化學計量比鈮酸鋰晶體(MgOiNSLN) <摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體(MgO = CLN) <摻氧化鎂富鈮鈮酸鋰晶體。從上述比較可以看出，理論上，MgO = SLN和MgO = NSLN是制備PPLN器件的理想原料。但是摻氧化鎂的鈮酸鋰晶體中Li含量越高晶體生長難度越大，生長速度越慢，成本就越高。MgO:NSLN或MgO:SLN晶體生長代表性的技術有日本的艙0'0/ <37 Institute forMaterials Science的雙樹禍連續加料法(DCCZ)及以美國Stanford University的氣相傳輸平衡法。但前者生長速度極低的(O. l-0.2mm/hr)以及昂貴的生長設備投入導致產品成本極高，而后者難以制備大厚度(大于I. Omm)晶片制約其PPLN器件應用。摻氧化鎂富鈮的鈮酸鋰晶體代表性的技術登載于《無機材料學報》2010年25卷第12期(《高均勻性高摻鎂鈮酸鋰晶體的生長與表征》:涂小牛，鄭燕青等；1257-1262)，作者報道以富鈮配比(/ (Li)// (Nb) =47. 2/52. 8)，摻 Mg0=6. 0mol%，生長速度高達 l_3mm/hr，得到成分較均勻的晶體。但該晶體嚴重缺鋰，會導致較多的本證缺陷。研究還表明摻氧化鎂的閾值濃度與鋰鈮比(Li/Nb)有關，滿足5X/3%的關系(X為缺鋰摩爾數)，因此摻氧化鎂富鈮的鈮酸鋰晶體需要的氧化鎂閾值濃度最高，但過高的摻雜也帶來宏觀缺陷。綜上所述，MgO = CLN綜合性能居中，生長速度快，成本低，因此具有較高的性價比，已成為PPLN器件首選材料。摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體(MgO: CLN)的組分微小變化都會導致居里溫度、紫外吸收邊、OH根吸收峰位置、相匹配溫度、折射率等物理性能參數發生變化，因此這些性能參數也成為判斷摻氧化鎂鈮酸鋰晶體品質的手段。由于非尋常光折射率(Ne)對鈮酸鋰晶體中Li含量非常敏感，而氧化鎂含量對非尋常光折射率對(Ne)和尋常光折射率對(N。)均有影響，因此折射率及其均勻性成為MgO:CLN晶體的重要指標。現在PPLN技術朝大厚度通光口徑、精細微米級周期線條控制方向發展，要求MgO:CLN晶片具有更低的疇反轉電壓，更高的性能分布一致性以及更少的晶格缺陷。因此需要控制Mg、Li、Nb在MgO = CLN晶體中的分布均勻性及盡量高的摻鎂量。盡管MgO = CLN晶體具有較好性價比但如何在保證滿足PPLN器件性能要求的條件下，實現MgO: CLN晶片的工業化生產，仍然有較多的工程技術難點。如
(I)分凝問題，在MgO:CLN晶體生長體系中，MgO的分凝系數大于1，鋰的分凝一般小于1，生長出的晶體頭部和尾部中Mg、Li的含量會有較大變化。(2)當氧化鎂摻雜量大于5. 5mol%后，晶體內異相析晶開始趨于嚴重，造成應力集中、裂紋、包裹體、脈理條紋等宏觀缺陷，影響生長成品率，晶體品質低檔。綜上所述，如何制備符合PPLN器件性能要求、MgO含量大于5mol%的摻鎂同成分鈮酸鋰晶片仍然沒有得到解決。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的是提出一種新的摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片，所述晶片中MgO含量為5. 5^6. 5mol%,晶片厚度為O. 5^3mm,晶片的本征缺陷少，晶片各部分成分均勻、性能一致性好，完全符合PPLN器件性能要求。為實現上述發明目的，本發明采用如下的技術方案
一種摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片，其中氧化鎂含量為5. 5飛.5mol%,晶片厚度
0.5 3mm,優選厚度為I. 5 3mm。本發明的另一個目的是提供上述摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片制備方法，包括如下步驟如下
I.按摩爾百分比Li2CO3 Nb2O5 MgO= [(I-A1) XB1] [(I-A1) XC1] A1 配料，經混合、燒結得到生長原料；
式中=A1為生長原料中MgO摩爾百分含量，A1=S. 2 6mol%
(I-A1) XB1為生長原料中Li2CO3摩爾百分含量，其中B1=48. 2 48. 6mol%
(I-A1) XC1為生長原料中Nb2O5摩爾百分含量，其中C1=Sl. 4 51. 8mol%
BJC1=IOO0Z70
II.取步驟I制得的所述生長原料，用提拉法生長，感應或電阻加熱，生長速度O.2
1.2mm/hr,晶轉速度4 15r/min,得到原生晶體；
III.步驟II制得的原生晶體經高溫退火極化處理，再切割成O.5-3_厚的毛坯；
IV.按摩爾比Li2CO3 Nb2O5 MgO= [(I-A2) XB2] [(I-A2) XC2] A2 配料，經混合、燒結得到擴散原料；式中=A2為擴散原料中MgO摩爾百分含量，A2=5. 5 6. 5mol%
(I-A2) XB2為擴散原料中Li2CO3摩爾百分含量，B2=48. 6mol%
(I-A2) XC2為擴散原料中Nb2O5摩爾百分含量，C2=51. 4mol%
B2+C2=100%
V.將步驟IV所得的所述擴散原料盛入有蓋Pt坩堝中，再將步驟III所得的切割好的毛坯分隔插入所述擴散原料中，加鉬蓋，在箱式爐中加熱至100(Tll5(rC，恒溫擴散2(Γ40小時，降溫，晶片出爐，即得。優選的，所述生長原料中，A1=S.8mol%, 1^=48. 5mol%, C1=Sl. 5mol%。優選的，所述擴散原料中，A2=6. 0mol%。
優選的，所述步驟III中，原生晶體上下表面加上Pt電極，控制溫度在1210°C以上進行退火，再極化處理，極化電流密度大于3. OmA/cm2。所述原生晶體經過高溫退火極化處理后，再切割成I. 5^2mm厚的毛還。優選的，所述步驟V中，箱式爐恒溫溫度為1050°C。優選的，所述步驟V中，恒溫擴散時間為25 35小時。為了保證摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體成品質量，本領域技術人員應當理解，所述步驟I和步驟IV中所述的MgO、Li2C03、Nb2O5原料純度均優于99. 99%。本發明所述制備方法，采用適量摻鎂濃度、適量富鈮的生長原料配比，首先采用常規提拉法生長得到缺陷密度較低的原生晶體，原生晶體中Li離子含量接近同成分鈮酸鋰含量，Mg尚子含量較聞，頭尾組分偏差不大。本發明再應用氣相傳輸平衡法(VET)，對晶體切割毛坯片補充注入少量Li、Mg離子，進一步減少各切割毛坯之間的成分偏差，提高同一批成品摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體之間的折射率等物理性能的一致性，從而提高成品率，實現摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體的
批量生產。本發明應用的VET法不會增加晶體切割毛坯片內的絲狀物、包裹體、脈理條紋等缺陷，由于注入的離子量小，可適用于制作厚度大于1_的摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發明做進一步說明。實施例、對比例所用原料——Mg0、Li2C03、Nb205粉料，均源于市售，均為4N級，用前烘干。實施例I :摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體的制備
I.按摩爾比 Li2CO3 Nb2O5 MgO= (O. 942X48. 5) (O. 942X51. 5) O. 058 稱取配料，總共3kg原料，經10小時混合，1150°C條件下燒結得到生長原料。II.用提拉法生長，感應或電阻加熱，生長軸向為Z向，坩堝為013OmmX70mm,拉速I. Omm/hr,轉速8rpm,得到原生晶體尺寸為08OmmX 50mm。III.晶體在1200°C下退火10小時再極化處理，極化電流密度為3. OmA/cm2，極化好的晶體經頭尾端面拋光檢查無散射、微裂紋、脈理條紋等宏觀缺陷，用切割機切割成I. 5mm厚毛還。IV.按摩爾比 Li2CO3 Nb2O5 Mg0=45. 684 48.316 O. 060 稱取配料，總共 2. 5kg原料，經10小時混合，1150°c條件下燒結得到擴散原料。V.將步驟IV得到的擴散原料填入120X90mmX90mm帶蓋Pt坩堝中，將步驟III中得到的毛坯，按頭尾順序編號，頭尾各留一片作測試對比，其他晶片依次隔開3-5_豎直插入盛滿擴散原料的坩堝中，蓋上蓋，裝入箱式爐，升溫至1050°C，保溫30小時，降溫至室溫，出爐，即得摻5. 9mol%氧化鎂同成分鈮酸鋰晶體。出爐的頭尾晶片經雙面拋光后，與未經過VET法后處理的晶片進行對比測試，測試取樣點為常規五點法。用X射線熒光光譜測試Mg含量，結果見表I。用棱鏡耦合法測試頭尾折射率分布，結果見表2。
表I X射線熒光光譜測試鎂摩爾百分比含量(MgO/MgO CLN)
權利要求
1.一種摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片，其特征在于其中氧化鎂含量為5. 5飛.5mol%,晶片厚度O. 5 3mm。
2.根據權利要求I所述的摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片，其特征在于所述晶片厚度為1. 5 3mm。
3.根據權利要求I所述的摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片的制備方法，其特征在于包括如下步驟如下 I.按摩爾百分比Li2CO3 Nb2O5 MgO= [(I-A1) XB1] [(I-A1) XC1] A1 配料，經混合、燒結得到生長原料； 式中=A1為生長原料中MgO摩爾百分含量，A1=S. 2 6mol% (I-A1) XB1為生長原料中Li2CO3摩爾百分含量，其中B1=48. 2 48. 6mol% (I-A1) XC1為生長原料中Nb2O5摩爾百分含量，其中C1=Sl. 4 51. 8mol% BJC1=IOO0Z70 II.取步驟I制得的所述生長原料，用提拉法生長，感應或電阻加熱，生長速度O.2 I.2mm/hr,晶轉速度4 15rpm,得到原生晶體； III.步驟II制得的原生晶體經高溫退火極化處理，再切割成O.5-3_厚的毛坯； IV.按摩爾比Li2CO3 Nb2O5 MgO= [(I-A2) XB2] [(I-A2) XC2] A2 配料，經混合、燒結得到擴散原料； 式中=A2為擴散原料中MgO摩爾百分含量，A2=5. 5 6. 5mol% (I-A2) XB2為擴散原料中Li2CO3摩爾百分含量，B2=48. 6mol% (I-A2) XC2為擴散原料中Nb2O5摩爾百分含量，C2=51. 4mol%B2+C2=100% V.將步驟IV所得的所述擴散原料盛入有蓋鉬坩堝中，再將步驟III所得的切割好的毛坯分隔插入所述擴散原料中，加鉬蓋，在箱式爐中加熱至100(Tll5(rC，恒溫擴散2(Γ40小時，降溫，晶片出爐，即得。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述生長原料中，A1=5.8mol%,6^48. 5mol%, C1=Sl. &nol%。
5.根據權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于所述擴散原料中，A2=6.0mol%。
6.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟III中，原生晶體上下表面加上Pt電極，控制溫度在1210°C以上進行退火，再極化處理，極化電流密度大于3. OmA/2cm ο
7.根據權利要求3或6所述的制備方法，其特征在于所述步驟III中，原生晶體經過高溫退火極化處理，再切割成I. 5 2_厚的毛坯。
8.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟V中，箱式爐恒溫溫度為1050 O。
9.根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于所述步驟V中，恒溫擴散時間為25 35小時。
全文摘要
本發明公開了一種摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片，其中氧化鎂含量為5.5~6.5mol%，晶片厚度0.5~3mm。本發明還公開了所述摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片的制備方法，首先是應用提拉法生長摻鎂濃度為5.2～6mol%、適量富鈮的鈮酸鋰晶體，晶體經過退火極化處理，再切割成晶片，將切割晶片埋入摻鎂濃度為5.5～6.5mol%的同成分鈮酸鋰粉料中，再在1000℃～1150℃溫度下恒溫20～40小時進行擴散熱處理，即得到所述摻氧化鎂同成分鈮酸鋰晶片。本發明制備的摻氧化鎂鈮酸鋰晶片成分均勻，折射率分布均勻，摻鎂濃度高，鈮鋰比接近同成分配比，內部缺陷少，電疇反轉電壓較低，適合批量化的PPLN器件技術要求。
文檔編號C30B31/22GK102899722SQ20121033565
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者張婷, 曹遠虎, 夏宗仁, 梁萬國 申請人:江西勻晶光電技術有限公司