五氧化三鈦晶體的坩堝下降法生長方法技術

本發明專利技術提供生長五氧化三鈦晶體的坩堝下降法生長方法，包括：（１）將原料ＴｉＯ↓［２］和Ｔｉ按Ｔｉ↓［３］Ｏ↓［５］配料，混合均勻、壓塊；（２）壓塊原料裝入坩堝中，坩堝轉移至高溫下降爐內，對整個系統升溫抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，當爐溫達到１４００－１７００℃時充入惰性保護氣體，繼續升溫至１８００－１９００℃；（３）爐溫達到設定溫度后，保溫３－６小時，原料熔化充分，晶體生長的固液界面溫度梯度在２０－６０℃／ｃｍ的范圍內，坩堝下降速率在０．１－５．０ｍｍ／ｈ之間；（４）待晶體生長結束后，在生長爐內適當位置保溫１０－２４小時，然后以２５－８０℃／ｈ的速度將爐溫降至室溫，對所生長的晶體進行退火處理。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種晶體的坩堝下降法生長技術，即用坩堝下降法生長五氧化 三鈦晶體，屬于晶體生長領域。
技術介紹
五氧化三鈦(Ti30s)晶體屬于斜方晶系，密度 4. 60g/cm3，熔點 1760。C。 Ti30s是鈦的低價系列氧化物中相對穩定的化合物，具有類金屬特性，在常溫下 具有很高的導電性，與貴金屬電極材料相比，它價格低廉、耐酸堿腐蝕性強， 因此可以用作電極材料來替代貴金屬。Ti30s是一種非化學計量化合物，0/Ti 可在1.66-L70之間變化，其內部含有大量的氧空位，準自由電子濃度較高， 其電阻可隨氣氛的改變而改變，因此是一種潛在的氧敏材料。目前，Ti30s作為二氧化鈦(Ti02)涂層的蒸鍍靶材廣泛應用在光電子器件 的制造中，如顯示技術、成像技術、光輸出和光集成的器件等。Ti02膜層在可 見光和近紅外光譜范圍內具有很高的折射率、良好的穩定性和牢固性。前期， 人們主要用Ti02膜料來蒸鍍Ti02涂層，但TiOj莫料在加熱和預熔的過程中會釋 放大量的氧氣，即使進行充分的預熱，濺射還是不可避免的，并且很難得到膜 厚均一、折射率穩定的膜層。隨著研究的深入，人們發現Ti02膜料預熔后其化 學組成約為TiA，從而會導致大量氧氣的放出；并且，如果Ti02膜料預熔的不 充分，其熔化物成分的不一致性則會導致很難得到穩定光學特征的膜層。而如 果用TiA作為蒸鍍材料則可以避免TiOJ莫料的缺點，降低放氣量，避免濺射， 得到膜厚均一、折射率穩定的高性能膜層?，F在，Ti30s膜料已逐步取代Ti02膜料而在高折射率膜料中占據主要的地位。目前，用于制備Ti02涂層的Ti30s膜料大部分是多晶陶瓷。多晶陶瓷11305 雖然制備容易，成本低廉，但在制備過程中容易引入雜質，形成大量氣孔，并 且難以保證成分和結構的均勻性，而這些因素對制備高質量的Ti02薄膜起著決 定性的作用。因此，為了滿足光、電應用對高質量TiA材料的需求，Ti30s晶 體的制備也就成了當務之急。相比較于多晶陶瓷，Ti30s晶體結晶性更好，密度 更大；此外，生長過程中利用晶體自身排雜的特性，還可以提高材料的純度。Ti30s晶體已經作為一種高折射率膜料被廣泛應用，但關于TiA晶體制備的研究報道則幾乎沒有，因此，非常需要一種能夠以較低成本生長仏05晶體的方法，以便有利地進行工業化生產。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種操作方法簡單、生長成本低廉的Ti305晶體坩堝下降法生長方法，以實現該晶體的產業化制備。本專利技術提供一種生長，包括以下步驟(1) 將原料Ti02和Ti按Ti305配料，混合均勻、壓塊；(2) 將步驟(1)得到壓塊的原料裝入坩堝中，坩堝轉移至高溫下降爐內，對 整個系統升溫并抽真空至10—3-10—4Pa，當爐溫達到1400-1700。C時充入惰性保護 氣體，繼續升溫至設定溫度，所述設定溫度在1800-1900。C的范圍內；(3) 爐溫達到設定溫度后，保溫3-6小時，使原料熔化充分，晶體生長的固 液界面溫度梯度在20-60。C/cm的范圍內，坩堝下降速率控制在O. 1-5.0 mm/h之 間 ，(4) 待晶體生長結束后，在生長爐內適當位置保溫10-24小時，然后以 25-80。C/h的速度將爐溫降至室溫，對所生長的晶體進行退火處理。在本專利技術的一個具體實施方式中，所述坩堝的形狀為所需的形狀，所述柑 堝是選自鉬、鎢或鉤鉬合金的耐高溫材料。在本專利技術的一個具體實施方式中，將步驟(l)中的所述晶體生長的固液界 面溫度梯度設定在30-50°C/cm的范圍內；坩堝下降速率控制在1.0-4.0 mm/h 之間。在本專利技術的一個具體實施方式中，步驟(l)中以25-50° C/h的速度進行退 火處理。在本專利技術的一個具體實施方式中，在晶體爐內安放多只坩堝，各坩堝具有同等生長條件和工效，以實現一爐同時生長多坩堝Ti30s晶體。在本專利技術的一個具體實施方式中，所述原料Ti02純度在99.9重量。/。及以上， Ti的純度在99. 99重量％及以上。具體實施方式本專利技術是通過以下技術途徑實現的。首先將高純初始原料Ti02(99.9。/。)和 Ti(99.99。/。)按Ti30s化學組成配料、混合均勻，并在1.0-5. Ot/cn^的等靜壓下 壓制成塊，壓塊料放入坩堝中，將坩堝置于晶體生長爐中，抽真空，升溫至 1400-170(TC后，充入惰性保護氣體，再繼續升溫至原料熔化溫度，使原料完 全熔化，通過控制爐溫、調節固液界面溫度梯度以及選擇合適的坩堝下降速率 等工藝參數來實現晶體的穩定生長，以獲得高質量的Ti305晶體。以下對本專利技術的Ti305晶體的坩堝下降法生長方法進行詳細說明。該生長方 法主要包括以下步驟1. 原料的預處理將Ti02(99 . 9。/。)和Ti(99. 999%)按1^305化學組成配料混 合，混合粉料在研缽或研磨機上研磨以混合均勻，根據需要在等靜壓機上壓制 成塊；2. 將步驟l.得到的壓塊料裝入鉬坩堝中，鉬坩堝轉移至高溫下降爐內， 調整到一定高度，整個系統密封后通電升溫，先后啟動機械泵、擴散泵，抽真 空至10—3-10—4Pa，當爐溫達到1400-1700° C時充入惰性保護氣體，繼續升溫至 設定溫度，所述設定溫度在1800-190(TC的范圍內；3. 爐溫達到設定溫度后，保溫3-6小時，使原料熔化充分，將晶體生長 的固液界面處溫度梯度設定在20-60° C/cra的范圍內，柑堝下降速率控制在 0. 1-5. Omm/h之間；4. 晶體生長結束后，在生長爐內適當位置保溫10-24h,然后以25-80° C/h 的速度降至室溫，更優選是以25-50° C/h的速度降至室溫。通過此原位退火 處理，可以消除晶體內部的熱應力，減少晶體缺陷。在原料預處理的步驟中，優選的是原料Ti02的純度在99.9%及以上，原料 Ti的純度在99. 99%及以上，料塊的尺寸依坩堝的尺寸等情況而定。所用的坩堝優選是選自鉬、鎢或鎢鉬合金的耐高溫材料。坩堝的形狀可以 根據生長需要而定，例如可以是長方柱形、圓柱形、立方柱形或其它多邊形。本專利技術的工藝技術對所述惰性保護氣體并無特別限制，只要該氣體既不氧 化坩堝又不與熔體發生化學反應即可。優選的惰性保護氣體可以是氬氣、氦氣、氮氣或其他惰性氣體。特別優選是氬氣，其純度優選在99.99%及以上。在本專利技術的工藝方法中，可以根據生產規模設計多坩堝高溫生長爐，由此 實現一爐內安放多只坩堝的規模生產，以提高晶體的生長效率、降低生產成本。在原料熔化過程中，熔化原料的方法沒有具體限制，只要使得原料熔化充 分即可。具體地例如通過適當的調節爐膛溫度和坩堝位置，使得原料熔化。在退火過程中，降溫的具體方法沒有限制，只要使得所述晶體按照所需降 溫速度進行降溫即可。具體地例如，晶體生長結束后可以通過調節坩堝位置和 溫度梯度使得晶體降至室溫。利用本專利技術的坩堝下降法生長方法制得的Ti305晶體具有以下特點組分均 勻，不存在常見的黑色雜相；結晶性好，不易破碎；密度大，放氣量少。Ti30s晶體在不同波長(X)下的折射率(n)如表1所示，測定方法遵循《GB/T 7962.12-1987無色光學玻璃測試方法》。表 1 Ti305晶體的折射率(n)與波長(X)的關系<table>本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生長五氧化三鈦晶體的坩堝下降法生長方法，包括以下步驟：（１）將原料ＴｉＯ↓［２］和Ｔｉ按Ｔｉ↓［３］Ｏ↓［５］配料，混合均勻、壓塊；（２）將步驟（１）得到壓塊的原料裝入坩堝中，坩堝轉移至高溫下降爐內，對整個系統升溫并抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，當爐溫達到１４００－１７００℃時充入惰性保護氣體，繼續升溫至設定溫度，所述設定溫度在１８００－１９００℃的范圍內；（３）爐溫達到設定溫度后，保溫３－６小時，使原料熔化充分，晶體生長的固液界面溫度梯度在２０－６０℃／ｃｍ的范圍內，坩堝下降速率控制在０．１－５．０ｍｍ／ｈ之間；（４）待晶體生長結束后，在生長爐內適當位置保溫１０－２４小時，然后以２５－８０℃／ｈ的速度將爐溫降至室溫，對所生長的晶體進行退火處理。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李新華，吳憲君，
申請(專利權)人：上海晶生實業有限公司，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]