一種超大稀土正鐵氧體光磁功能晶體生長方法
【專利摘要】本發明涉及一種超大稀土正鐵氧體光磁功能晶體生長方法，屬光磁功能晶體【技術領域】。本發明的制備過程為：以高純的R2O3和Fe2O3為原料，分別將Sm2O3、Tb2O3與Fe2O3按摩爾比1:1:2以及Pr6O11和Fe2O3按摩爾比1:3配比稱重，在空氣中燒結制備多晶料棒。得到的原料棒需經過接近熔點的高溫預處理，再置于浮區爐中生長。該方法的特點是上棒下端呈倒圓錐狀，有利于對接和擴徑，但在擴徑的同時要升高功率并同時調節氣流以確保熔區熔化均勻，后期穩定生長選取最佳生長功率即可，該方法制備的晶體尺寸為直徑超過18mm、長度大于25mm，該直徑尺寸已經突破了光學浮區爐的設計極限：15mm。制得的大尺寸單晶將為后續的器件應用提供技術基礎。
【專利說明】—種超大稀土正鐵氧體光磁功能晶體生長方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采用光學浮區法生長超大稀土正鐵氧體光磁功能晶體Sma5Tba5FeO3單晶體的方法，屬于晶體生長領域。
【背景技術】
[0002]功能材料是二十一世紀高新技術發展最重要的先導性和基礎性材料之一，在國際上，對于新型功能材料的開發和研究一直都很活躍。它的進步推動著諸如信息、電子、機械、化工、航天和通訊等尖端的高科技產業的飛速發展。稀土正鐵氧體材料作為一種功能材料，由于具有著多種功能特性，因此具有較大的研究價值和應用前景，一直是凝聚態物理和材料科學領域探索和開發功能體系的熱點之一。早在1950年，Forestier等人發現了正鐵氧體的磁性，它也是最早的一種磁泡材料。直到上世紀六七十年代稀土正鐵氧體RFeO3才被發現具有獨特的磁性能、磁光、光磁性能、巨磁電阻以及磁電耦合性能等，它們一直受到物理學家和材料學家的關注，其應用領域也在不斷拓展，可制成磁光開關、調制器、偏轉器、傳感器等光學器件，特別是作為隔離器中的法拉第轉子材料，廣泛應用于光纖通信等領域。2004，2005年的Nature上也先后報道了關于RFeO3的最新研究動態。2004年，A.V.Kimel等人使用超短的激光脈沖，在TmFeO3單晶片上實現了幾個皮秒時間尺度的超快自旋重取向，而一般鐵磁體的自旋重取向需要幾百個皮秒。超快自旋重取向在低能耗自旋電子器件開發上起關鍵作用。2005年，這個研究小組又采用飛秒級的圓偏振激光脈沖通過逆法拉第效應來控制DyFeO3單晶體的自旋運動，這種光磁效應是瞬時的，為超快激光在磁性器件上的應用研究奠定了基礎。Y.Tokunaga先后在2008年和2009年報道了 DyFeO3和GdFeO3中的多鐵性，這使RFeO3在數據存儲器件方面有著潛在的應用。以上的諸多應用都離不開高質量、大尺寸的晶體，因此對大尺寸晶體的生長有著很重要的意義。
[0003]RFeO3系列晶體長期以來主要采用助熔劑法生長，其中使用較多的PbO和BaO基復合助熔劑。助熔劑法生長RFeO3晶體存在著較多缺陷，助熔劑能夠降低融化溫度，但是助熔劑的含量非常高，熔質所占的質量分數一般只有10% — 15%，致使熔質結晶量很少，得不到大的結晶顆粒，不僅晶體的尺寸很小，而且相關系非常復雜，極易出現PbFe12O19等包裹相。此外，鐵的氧化物對貴重金屬坩堝的腐蝕很難避免，鉛、鋇氧化物對環境的污染也不可忽視。
[0004]我們采用光學浮區法制備超大尺寸RFeO3系列單晶，特殊的原料棒高溫預處理方法使得所制備的單晶尺寸超過了光學浮區法的設計極限(15 mm)，為制備接近一英寸的超大直徑單晶奠定了技術基礎。其優勢在于無腐蝕、無污染、晶體完整性好、質量很高、晶體生長效率高、可重復性好，克服了助溶劑法無法生長大尺寸單晶的弊端。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種超大稀土正鐵氧體光磁功能晶體的方法，該方法的具體步驟如下: A.多晶棒的制備
a)初始原料采用高純(3N以上)R2O3 (R=Sm、Tb) ,Pr6O11 和 Fe2O3 ;將 Sm2O3Jb2O3 與 Fe2O3按摩爾比1: 1:2制備Sma 5Tb0.5Fe03作為料棒即上棒；以及Pr6O11和Fe2O3按摩爾比1:3制備PrFeOJt為籽晶即下棒；按上述成份配比精確稱量、研磨、充分混合；置于高溫爐內在1000°C溫度下空氣中燒結12 h，隨爐自然降至室溫；
b)將預燒結的原料用瑪瑙研缽研磨，再將多晶料放入模具中，在50-200MPa壓力下等靜壓成型，分別制備出直徑6?8 mm、長度約25 mm的PrFeO3籽晶棒和直徑20 mm、長度約為40-120 mm的目標材料Sma5Tba5FeO3原料棒；
c)將上述Sma5Tba5FeO3下端拋磨成圓錐狀,錐角控制在45-60°范圍內，作為上棒,最細部分直徑與下棒PrFeO3 —致以方便對接；
B.單晶的生長
a)采用光學浮區爐，其主要有三個部分構成:加熱系統、機械控制系統、氣氛控制系統；加熱系統是鹵素碘鎢燈或氙燈，其加熱溫度分別可達2200 1:和2800 0C ；
b)將多晶棒PrFeO3固定在下面籽晶桿的座臺上作為籽晶棒；另外一根Sma5Tb0.5Fe03懸掛在上面料桿的掛鉤上作為料棒；調整好位置，保證上下棒同軸；
c)啟動旋轉系統，轉速1(T30rpm，控制空氣氣流流量在2-6 L/min之間，自動升功率至70%，接近但不達到材料的熔點，對上棒進行預熱處理；
d)繼續升功率至75%，待上棒熔化均勻后開始對接，初期擴徑階段，控制生長速率4mm/h向上生長，此時需逐漸升功率確保上棒直徑變大的同時可以熔化均勻，熔區直徑與上棒接近時，功率穩定在79%，最后以4 mm/h的速度穩定生長，生長結束后緩慢降至室溫?’最終制得超大Sma5Tba5FeO3光磁功能晶體。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1為Sma5Tba5FeO3晶體的光學浮區法生長裝置原理圖圖2為制備所得的超大尺寸單晶樣品(Sma5Tba5FeO3)照片。
【具體實施方式】
[0007]下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
實施例
[0008]Sm0.5Tb0.5Fe03單晶制備的具體步驟如下:
A.多晶棒的制備
d)初始原料采用高純(3N以上)R2O3 (R=Sm、Tb) ,Pr6O11 和 Fe2O3 ;將 Sm2O3Jb2O3 與 Fe2O3按摩爾比1: 1:2制備Sma 5Tb0.5Fe03作為料棒即上棒；以及Pr6O11和Fe2O3按摩爾比1:3制備PrFeOJt為籽晶即下棒；按上述成份配比精確稱量、研磨、充分混合；置于高溫爐內在1000°C溫度下空氣中燒結12 h，隨爐自然降至室溫；
e)將預燒結的原料用瑪瑙研缽研磨，再將多晶料放入模具中，在50-200MPa壓力下等靜壓成型，分別制備出直徑6?8 mm、長度約25 mm的PrFeO3籽晶棒和直徑20 mm、長度約為40-120 mm的目標材料Sma5Tba5FeO3原料棒； f)將上述Sma5Tba5FeO3下端拋磨成圓錐狀，錐角控制在45-60°范圍內，作為上棒，最細部分直徑與下棒PrFeO3 —致以方便對接；
B.單晶的生長
a)采用光學浮區爐，其主要有三個部分構成:加熱系統、機械控制系統、氣氛控制系統；加熱系統是鹵素碘鎢燈或氙燈，其加熱溫度分別可達2200 °(:和2800 °C ;圖1是Sm0.5Tb0.5Fe03單晶光學浮區生長裝置圖。
[0009]b)將多晶棒PrFeO3固定在下面籽晶桿的座臺上作為籽晶棒；另外一根Sma5Tba5FeO3懸掛在上面料桿的掛鉤上作為料棒；調整好位置，保證上下棒同軸；
c)啟動旋轉系統，轉速1(T30 rpm，控制空氣氣流流量在2-6 L/min之間，自動升功率至70%，接近但不達到材料的熔點，對上棒進行預熱處理；繼續升功率至75%，待上棒熔化均勻后開始對接，初期擴徑階段，控制生長速率4 mm/h向上生長，此時需逐漸升功率確保上棒直徑變大的同時可以熔化均勻，熔區直徑與上棒接近時，功率穩定在79%，最后以4 mm/h的速度穩定生長，生長結束后緩慢降至室溫；最終制得超大Sma5Tba5FeO3光磁功能晶體；
有關本發明的要點和特點
I)本發明成功制備了稀土正鐵氧體Sma5Tba5FeO3光磁功能晶體單晶體，所得的單晶(如圖2所示)表面不論光潔度、致密度、均勻性都很理想。
[0010]2)針對Sma5Tba5FeO3單晶材料本身的特點，通過特殊的原料棒高溫預處理方法和控制燈絲功率、料棒旋轉速度和氣氛的流量等工藝參數得到穩定的熔體，從而實現生長超大尺寸Sma5Tba5FeO3單晶的新方法。
[0011]3)通過該方法生長的Sma5Tba5FeO3單晶直徑超過18 mm、長度大于25 mm。該尺寸已突破了光學浮區法最大設計極限:直徑15 _。
【權利要求】
1.一種超大稀土正鐵氧體光磁功能晶體生長方法，其特征在于該方法的具體步驟如下: A.多晶棒的制備 a)初始原料采用高純(3N以上)R2O3 (R=Sm、Tb) ,Pr6O11 和 Fe2O3 ;將 Sm2O3Jb2O3 與 Fe2O3按摩爾比1: 1:2制備Sma 5Tb0.5Fe03作為料棒即上棒；以及Pr6O11和Fe2O3按摩爾比1:3制備PrFeOJt為籽晶即下棒；按上述成份配比精確稱量、研磨、充分混合；置于高溫爐內在1000°C溫度下空氣中燒結12 h，隨爐自然降至室溫； b)將預燒結的原料用瑪瑙研缽研磨，再將多晶料放入模具中，在50-200MPa壓力下等靜壓成型，分別制備出直徑6?8 mm、長度約25 mm的PrFeO3籽晶棒和直徑20 mm、長度約為40-120 mm的目標材料Sma5Tba5FeO3原料棒； c)將上述Sma5Tba5FeO3下端拋磨成圓錐狀,錐角控制在45-60°范圍內，作為上棒,最細部分直徑與下棒PrFeO3 —致以方便對接； B.單晶的生長 a)采用光學浮區爐，其主要有三個部分構成:加熱系統、機械控制系統、氣氛控制系統；加熱系統是鹵素碘鎢燈或氙燈，其加熱溫度分別可達2200 1:和2800 0C ； b)將多晶棒PrFeO3固定在下面籽晶桿的座臺上作為籽晶棒；另外一根Sma5Tb0.5Fe03懸掛在上面料桿的掛鉤上作為料棒；調整好位置，保證上下棒同軸； c)啟動旋轉系統，轉速1(T30rpm，控制空氣氣流流量在2-6 L/min之間，自動升功率至70%，接近但不達到材料的熔點，對上棒進行預熱處理； d)繼續升功率至75%，待上棒熔化均勻后開始對接，初期擴徑階段，控制生長速率4mm/h向上生長，此時需逐漸升功率確保上棒直徑變大的同時可以熔化均勻，熔區直徑與上棒接近時，功率穩定在79%，最后以4 mm/h的速度穩定生長，生長結束后緩慢降至室溫?’最終制得超大Sma5Tba5FeO3光磁功能晶體。
【文檔編號】C30B29/24GK104389013SQ201410564833
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】曹世勛, 趙偉堯, 曹義明, 許凱, 向茂林, 張金倉 申請人:上海大學