導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法技術

本發明專利技術涉及導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法，所述稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的分子式為Re3x:A3-3xByGa5-5yO12，Re＝Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Tb、Ho、Er、Tm、Yb，A＝Y、Gd、Lu，B＝Sc、Al，0＜x＜1，0≤y＜1；按照分子式配料；將配好的料經充分混合、壓制、燒結；將燒結好的胚料放入帶有模具的銥金坩堝中，在氣氛下，將氧化鎵胚料加熱熔化，依次經下種、收頸、放肩和等徑四個部分，退火即得。本發明專利技術簡化了晶體加工過程，減少加工過程的損耗；有效克服晶體生長過程中氧化鎵組分的揮發問題，降低晶體生長的組分偏離問題，提高了晶體均勻性。

【技術實現步驟摘要】
導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法
本專利技術涉及一種大尺寸、高質量、特定尺寸稀土(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Tb、Ho、Er、Tm、Yb)摻雜的含鎵石榴石系列晶體的制備方法，屬于晶體生長領域。
技術介紹
稀土摻雜的含鎵石榴石晶體，在激光、閃爍等領域有著重要的應用價值，例如在GGG(Gd3Ga5O12)、GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)、GAGG(Gd3(AlxGa1-x)5O12)、LGGG((LuxGd1-x)3Ga5O12)等含鎵石榴石基質中，摻Nd、Yb、Er等激光激活離子的晶體是重要的激光增益介質，而摻Ce等發光離子的GAGG(Gd3(AlxGa1-x)5O12)晶體是近幾年發展起來的優秀的閃爍晶體。目前，該類晶體的生長多以提拉法為主，生長過程中存在原料中氧化鎵的嚴重揮發，導致組分偏離，影響晶體的穩定生長和晶體質量。而且提拉法生長該類晶體時，存在較嚴重的稀土激活離子或發光離子的組分分凝現象，導致稀土離子在晶體中分布不均勻，特別是在大尺寸晶體生長中影響尤其顯著，降低了晶體的均勻性。同時，在把大尺寸圓柱狀晶體切割成特定尺寸的器件樣品時，會導致大量的晶體損耗，降低了晶體利用率，大大提高了產品的成本。導模法具有生長速度快、原料利用率高、特定尺寸生長、分凝系數接近于1的優點，可以快速的生長高質量單晶，可以通過改變模具表面形狀來獲得目標尺寸晶體，目前該方法主要用于藍寶石晶體的生長。中國專利文件CN104264214A(申請號：201410522714.9)公開了一種導模法生長鋱鎵石榴石晶體的生長裝置及其生長工藝，采用在生長爐體內設有下保溫套，在下保溫套的上端面設有中保溫套，在中保溫套的上端面設有上保溫套，在上保溫套的上端面設有保溫頂蓋，在下保溫套的外部套接有感應線圈，在下保溫套軸孔內滑動安裝有托座，在托座的上端面設有坩堝，在托座的下端面連接有升降托桿，在坩堝內設有結晶模具，在上保溫套和保溫頂蓋之間設有后加熱片；在上保溫套軸孔內設有籽晶夾具，在籽晶夾具上安裝籽晶，在籽晶夾具上連接有籽晶桿，籽晶桿的上端部與籽晶實時可調機構連接。目前，導模法生長特定尺寸稀土摻雜的含鎵石榴石系列晶體的方法未見報道。
技術實現思路
針對現有技術中生長稀土摻雜含鎵石榴石晶體存在的不足，本專利技術提供一種導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法，該方法可以有效抑制晶體生長中氧化鎵組分的嚴重揮發和分解，能快速、穩定生長高質量、大尺寸稀土摻雜含鎵石榴石晶體。本專利技術的技術方案如下：一種導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法，所述稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的分子式為Re3x:A3-3xByGa5-5yO12，Re＝Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Tb、Ho、Er、Tm、Yb，A＝Y、Gd、Lu，B＝Sc、Al，0＜x＜1，0≤y＜1；包括步驟如下：(1)多晶料的合成按分子式Re3x:A3-3xByGa5-5yO12化學計量比，稱取原料Re2O3、A2O3、B2O3、Ga2O3，并在化學計量比基礎上使Ga2O3過量0.5-3wt.％；采用固相燒結法或者液相法合成多晶料；(2)晶體生長a將步驟(1)得到的多晶料放入坩堝中，在惰性氣體保護下升溫使多晶料熔化，并在多晶料全部熔化后過熱10-20℃，恒溫1-2小時后降溫至多晶料全部熔化時的溫度，恒溫1-2小時；b在坩堝內放置模具，于模具表面溫度高于熔體熔點1-3℃時，下降籽晶使籽晶與模具表面恰好接觸，5-10分鐘后開始提拉，提拉速率為10-20mm/h；當籽晶收細至1-3mm時，降低提拉速率至5-10mm/h，并逐漸降低模具表面溫度進行放肩；當晶體鋪滿整個模具表面時，放肩結束，恒定生長溫度，進行等徑生長；晶體生長至所需長度時，提脫晶體；c將晶體以10-30℃/h的速率降溫到室溫，高溫退火，即得。根據本專利技術，優選的，步驟(1)中所述的稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的分子式為Nd0.03:Gd2.97Ga5O12、Nd0.03:Gd2.97Ga4Al1O12、Yb0.03:Gd2.97Ga5O12或Pr0.03:Gd2.97Ga5O12；分子式Re3x:A3-3xByGa5-5yO12中，A是位于石榴石十二面體格位的元素，B為可以取代Ga的元素。根據本專利技術，固相燒結法或者液相法合成多晶料可按現有技術；優選的，固相燒結法成多晶料的步驟如下：將原料充分混合后，壓成塊體，在1300℃下燒結35小時，即得多晶料。根據本專利技術，優選的，所述的坩堝上方設置有與坩堝相配合的蓋。根據本專利技術，優選的，步驟(2)晶體生長在導模法晶體生長爐中進行，導模法晶體生長爐包括銥金坩堝、銥金模具、銥金蓋和射頻線圈，銥金模具放置在銥金坩堝中，銥金蓋設置在銥金坩堝上方。銥金模具具有特定表面形狀，如表面為長方形、圓形等；坩堝上方帶有銥金坩堝蓋，起到抑制氧化鎵組分揮發和分解的作用，有效降低晶體生長過程中的組分偏離；射頻線圈用于為銥金坩堝加熱。根據本專利技術，優選的，步驟(2)a中，所述的惰性氣體為Ar、N2或CO2。根據本專利技術，優選的，步驟(2)c中高溫退火的步驟為：將晶體在退火氣氛中升溫至1300-1400℃，保溫20-50小時，緩慢降溫至室溫，即完成高溫退火；優選的，退火氣氛為空氣。高溫退火可消除晶體中存在的熱應力。本專利技術的有益效果：1、相對傳統提拉法生長的稀土摻雜的含鎵石榴石晶體，本專利技術可按照器件需求尺寸，快速生長特定尺寸晶體，簡化了晶體加工過程，減少了晶體加工過程的損耗。2、本專利技術方法生長獲得的晶體具有晶體中激活離子或發光離子分布均勻的優點。3、本專利技術通過在坩堝上加裝銥金蓋，可以有效克服晶體生長過程中氧化鎵組分的揮發問題，降低了晶體生長過程中的組分偏離問題；摻雜激活離子或發光離子分凝系數接近于理想值1，提高了晶體的均勻性，有利提高晶體質量和原料利用率。附圖說明圖1為本專利技術實施例1導模法生長得到的Nd:GGG晶體照片。圖2為本專利技術實施例1導模法生長得到的Nd:GGG晶體的XRD圖譜。圖3為本專利技術對比例1導模法生長得到的Nd:GGG晶體照片。圖4為本專利技術晶體生長裝置示意圖。圖中，1、石英套筒，2、氧化鋯砂I，3、射頻線圈，4、氧化鋯毛氈，5、氧化鋯套筒，6、支架，7、氧化鋯砂II，8、基座，9、提拉桿，10、籽晶，11、銥金蓋，12、銥金模具，13、銥金坩鍋。具體實施方式下面通過具體實施例對本專利技術做進一步說明，但不限于此。實施例中晶體生長裝置為導模法晶體生長領域常規設備，結構示意圖如圖4所示：包括石英套筒1、氧化鋯砂I2、射頻線圈3、氧化鋯毛氈4、氧化鋯套筒5、支架6、氧化鋯砂II7、基座8、提拉桿9、籽晶10、銥金蓋11、銥金模具12、銥金坩鍋13。石英套筒1、氧化鋯砂I2、氧化鋯毛氈4、氧化鋯套筒5、支架6、氧化鋯砂II7分別設置在基座8上，銥金坩鍋13設置在氧化鋯砂II7上，銥金模具12設置在銥金坩鍋13中，銥金蓋11設置在銥金坩鍋13上方，籽晶10夾在提拉桿9并且可隨提拉桿9上下提拉，射頻線圈3設置在石英套筒1的周圍用于加熱。實施例1稀土摻雜含鎵石榴石晶體Nd0.03:Gd2.97Ga5O12(Nd:GGG)的制備方法，包括步驟如下：(1)多晶料的合成按分子式Nd0.03:Gd2.97本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法，其特征在于，所述稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的分子式為Re3x:A3?3xByGa5?5yO12，Re=Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Tb、Ho、Er、Tm、Yb，A=Y、Gd、Lu，B=Sc、Al，0＜x＜1，0≤y＜1；包括步驟如下：（1）多晶料的合成按分子式Re3x:A3?3xByGa5?5yO12化學計量比，稱取原料Re2O3、A2O3、B2O3、Ga2O3，并在化學計量比基礎上使Ga2O3過量0.5?3wt.%；采用固相燒結法或者液相法合成多晶料；（2）晶體生長a將步驟（1）得到的多晶料放入坩堝中，在惰性氣體保護下升溫使多晶料熔化，并在多晶料全部熔化后過熱10?20℃，恒溫1?2小時后降溫至多晶料全部熔化時的溫度，恒溫1?2小時；b在坩堝內放置模具，于模具表面溫度高于熔體熔點1?3℃時，下降籽晶使籽晶與模具表面恰好接觸，5?10分鐘后開始提拉，提拉速率為10?20mm/h；當籽晶收細至1?3mm時，降低提拉速率至5?10mm/h，并逐漸降低模具表面溫度進行放肩；當晶體鋪滿整個模具表面時，放肩結束，恒定生長溫度，進行等徑生長；晶體生長至所需長度時，提脫晶體；c將晶體以10?30℃/h的速率降溫到室溫，高溫退火，即得。...

【技術特征摘要】
1.一種導模法生長特定尺寸稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的方法，其特征在于，所述稀土摻雜含鎵石榴石系列晶體的分子式為Re3x:A3-3xByGa5-5yO12，Re=Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Tb、Ho、Er、Tm、Yb，A=Y、Gd、Lu，B=Sc、Al，0＜x＜1，0≤y＜1；包括步驟如下：（1）多晶料的合成按分子式Re3x:A3-3xByGa5-5yO12化學計量比，稱取原料Re2O3、A2O3、B2O3、Ga2O3，并在化學計量比基礎上使Ga2O3過量0.5-3wt.%；采用固相燒結法或者液相法合成多晶料；（2）晶體生長a將步驟（1）得到的多晶料放入坩堝中，在惰性氣體保護下升溫使多晶料熔化，并在多晶料全部熔化后過熱10-20℃，恒溫1-2小時后降溫至多晶料全部熔化時的溫度，恒溫1-2小時；b在坩堝內放置模具，所述的坩堝上方設置有與坩堝相配合的蓋，于模具表面溫度高于熔體熔點1-3℃時，下降籽晶使籽晶與模具表面恰好接觸，5-10分鐘后開始提拉，提拉速率為10-20mm/h；當籽晶收細至1-3mm時，降低提拉速率至5-10mm/h，并逐漸降低模具表面溫度進行放肩；當晶體鋪滿整個模具表面時，放肩結束，恒定生長溫度，進行等徑生長；晶體生長至所需長度時，提脫...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈志泰，陶緒堂，穆文祥，張健，高澤亮，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：山東;37