專利名稱：一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長晶體的方法，特別是一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法。
背景技術(shù)：
近年來，H. Hauser等人的研究表明=YFeO3比YIG在可見和近紅外區(qū)有高的磁光 優(yōu)值，較低的飽和磁場強度Ms,較高的居里溫度T。，而且矯頑力可控，疇寬度比石榴石要寬 的多，疇壁運動范圍大，疇壁運動速度是磁性介質(zhì)中最快的，因此可適用于可見和近紅外波 段的法拉第器件上。傳統(tǒng)提拉法生長研究發(fā)現(xiàn)，YFeO3高溫熔體對流非常強烈，非穩(wěn)態(tài)振蕩 性的熔體不易于晶體生長，熔體表面張力很大，熔體有沿坩堝壁外溢的傾向。熔體的這些性 質(zhì)，對晶體生長的影響則表現(xiàn)為熔體易在熔體表面產(chǎn)生漂晶，或在坩堝壁上發(fā)生結(jié)晶，對旋 轉(zhuǎn)的晶體產(chǎn)生干擾。所生長晶體容易出現(xiàn)多晶、開裂等缺陷，所以以該方法生長晶體，定向 生長十分困難，而晶體形狀極不規(guī)則。非穩(wěn)態(tài)振蕩性的熔體也容易導(dǎo)致熔體對流反常，從坩 堝中心向外流動，致使熔體中心的溫度高于周圍的溫度，難以進行引晶生長，或者晶體生長 難以持續(xù)。目前有報道中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所武安華等學(xué)者采用光浮區(qū)法生長出直 徑約7mm鐵酸釔單晶，在大多數(shù)情況下，這種尺寸能滿足一些小型磁光器件的要求，而一些 大型器件就很難滿足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種導(dǎo)模提拉(edge-defined film-fed growth)法生長 鐵酸釔晶體的方法，解決提拉法生長過程中存在的熔體對流反常、易產(chǎn)生漂晶等問題，獲得 大尺寸鐵酸釔單晶。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的
一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法，將內(nèi)部帶有縱向縫隙的導(dǎo)模模具放入坩堝 中，再向坩堝中加入多晶原料，加熱坩堝使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融體沒過導(dǎo)模 模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向縫 隙上升到導(dǎo)模模具的上表面，然后下籽晶并提拉獲得鐵酸釔單晶。本發(fā)明的導(dǎo)模提拉法除了具有晶體生長速度快、尺寸大，光學(xué)質(zhì)量好等優(yōu)點外，還 具有如下幾種獨特的優(yōu)點1)能夠控制生長出各種方向和形狀的晶體，簡化晶體的后加工 工序、降低晶體的成本；2)晶體生長界面為平界面生長，易于獲得成分分布均勻、內(nèi)部質(zhì)量 好的體單晶；3)晶體生長作用發(fā)生在溫度恒定的導(dǎo)模模具頂端，溫度梯度變化較小，所生長 晶體的光學(xué)均勻性好。4)晶體生長發(fā)生在極薄的界面內(nèi)，克服了鐵酸釔晶體提拉法生長中 遇到的熔體對流反常、易產(chǎn)生漂晶等問題，同時可以獲得大的軸向溫度梯度，從而獲得較快 的晶體生長速率。


圖1導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體(導(dǎo)模模具上不設(shè)有帶孔模片)示意圖。圖2導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體(導(dǎo)模模具上設(shè)有帶孔模片)示意圖。圖3導(dǎo)模模具上表面放置的圓形帶孔模片示意圖。附圖標記說明
1籽晶；2單晶；3導(dǎo)模模具；4坩堝；5多晶原料的熔融體；6圓形帶孔模片；7縫隙。
具體實施例方式本發(fā)明可以具體實施如下
將內(nèi)部帶有縱向縫隙7的導(dǎo)模模具3放入坩堝4中，再向坩堝4中加入多晶原料，加熱 坩堝4使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融體5沒過導(dǎo)模模具下部的縫隙7，以使多晶原 料的熔融體5在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向縫隙7上升到導(dǎo)模模具3的上 表面，然后在導(dǎo)模模具3的上表面下籽晶1并提拉生長獲得鐵酸釔單晶2。另外，本發(fā)明還可以具體實施如下
將內(nèi)部帶有縱向縫隙7的導(dǎo)模模具3放入坩堝4中，并在導(dǎo)模模具3上表面放置圓形 帶孔模片6，再向坩堝4中加入多晶原料，加熱坩堝使多晶原料熔化成熔融體5，并使導(dǎo)模模 具3下部的縫隙7沒入多晶原料的熔融體5中，以使多晶原料的熔融體5在毛細管效應(yīng)的 作用下沿著導(dǎo)模模具3內(nèi)的縱向縫隙7上升到圓形帶孔模片6的上表面，然后在圓形帶孔 模片6的上表面下籽晶1并提拉成與圓形帶孔模片6形狀一致的單晶2。在以上本發(fā)明的具體實施中，所述導(dǎo)模模具上表面設(shè)置的帶孔模片是帶有直徑小 于或等于2. Omm孔的模片，該模片和導(dǎo)模模具為鉬、銥、銠、硼化鉿、硼化鋯等熔點在1710°C 以上的金屬或合金材料制得。所述導(dǎo)模模具內(nèi)部縱向縫隙橫截面面積的總和小等于導(dǎo)模模 具上表面面積的80%，所述狹縫通過線切割或激光打孔等加工方法制備；所述的晶體生長 氣氛為惰性氣體，所述惰性氣體是氮氣；晶體的提拉沿任意結(jié)晶學(xué)方向進行，晶體的提拉生 長速度 0. 01-5. Omm/ho需要指出的是，帶孔模片不僅可以是圓形的，還可以是其他形狀，從而可以根據(jù)需 要制備所需形狀的單晶。另外，在導(dǎo)模模具3上表面放置帶孔模片6還可以改善晶體生長 時的晶體一熔體間的界面狀況，從而提高晶體生長質(zhì)量。因此，通過本發(fā)明方法不僅可以制備鐵酸釔尺寸的體單晶，還可以制備帶狀、圓柱 狀、圓條狀等其他特定形狀的鐵酸釔單晶。為了更好的說明本發(fā)明，下面列舉以YFeO3原料制備鐵酸釔晶體的實施例。實施例子1
(1)多晶原料的合成按Fe/Y的物質(zhì)的量為1 1的比例準確稱量純度為99. 99%的Fe2O3 和Y2O3藥品，將所稱取的藥品放入剛玉研缽中研磨均勻，然后在壓片機上壓制成片，接著進 行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200°c，燒結(jié)時間為15小時，制備成多晶原料。(2)單晶生長采用導(dǎo)模提拉法，以銥金坩堝為晶體的生長容器，將導(dǎo)模模具裝好 放入坩堝中心，在導(dǎo)模模具上表面放置帶孔的圓形銥片，再向坩堝中加入制備好的多晶原 料，在氮氣氣氛下加熱坩堝使多晶原料熔化成熔融體，并使多晶原料的熔融體5沒過導(dǎo)模模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向 縫隙上升到圓形銥片的上表面，然后在圓形銥片上下籽晶進行單晶提拉生長，生長速率為 1.0mm/h，通過觀察晶體生長時晶體與圓形銥片間薄液層及生長趨勢的變化情況，實時調(diào)節(jié) 歐陸表電勢的升降及其變化速率(當薄液層變薄或晶體有放大趨勢時，需升高電勢；反之， 則需降低電勢。電勢的升降范圍為100-1500mV，變化速率范圍為0-200mV/h)，控制晶體生 長形態(tài)。(3)晶體退火當晶體生長結(jié)束后，將晶體提升并脫離熔融體，調(diào)整晶體高度，使其 高出導(dǎo)模模具1mm，然后設(shè)定降溫程序，緩慢退火至室溫，降溫速率為8-120°C /h，退火時間 為20-30小時，得到鐵酸釔晶體。本實施例制備的鐵酸釔晶體的測試結(jié)果
采用X射線粉末衍射儀對所長晶體進行物相分析，結(jié)果表明所生長晶體為鐵酸釔相， 無其它雜相物質(zhì)存在。采用NETZSCH STA449C差熱分析儀測試晶體的居里點，熱磁法分析 表明YFeO3晶體的居里點約為628. 6K ；用Lambda 900 UV/VIS/IR光譜儀測定晶體的透過光 譜，結(jié)果表明晶體在無鍍膜的情況下，在1200 - 3000nm的范圍內(nèi)的透過率大于48%。
實施例子2
(1)多晶原料的合成
按Y/ (Y+Fe)的摩爾分數(shù)為37. 5%的比例準確稱量純度為99. 99%的Fe2O3和Y2O3藥品， 將所稱取的藥品放入剛玉研缽中研磨均勻，然后在壓片機上壓制成片，接著進行高溫燒結(jié)， 燒結(jié)溫度為1200°C，燒結(jié)時間為15小時，制備成多晶原料。(2)單晶生長采用導(dǎo)模提拉法，以銥金坩堝為晶體的生長容器，將導(dǎo)模模具裝好 放入坩堝中心，再向坩堝中加入制備好的多晶原料，在氮氣氣氛下加熱坩堝使多晶原料熔 化成熔融體，并使多晶原料的熔融體5沒過導(dǎo)模模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體 在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向縫隙上升到模具上表面，然后在模具上表面 上下籽晶進行單晶提拉生長，生長速率為0. 5mm/h，通過觀察晶體生長時晶體與圓形銥片間 薄液層及生長趨勢的變化情況，實時調(diào)節(jié)歐陸表電勢的升降及其變化速率(當薄液層變薄 或晶體有放大趨勢時，需升高電勢；反之，則需降低電勢。電勢的升降范圍為100-1500mV， 變化速率范圍為0-200mV/h)，控制晶體生長形態(tài)。(3)晶體退火當晶體生長結(jié)束后，將晶體提升并脫離熔融體，調(diào)整晶體高度，使其 高出導(dǎo)模模具1mm，然后設(shè)定降溫程序，緩慢退火至室溫，降溫速率為8-120°C /h，退火時間 為20-30小時，得到鐵酸釔晶體。本實施例制備的鐵酸釔晶體的測試結(jié)果
采用X射線粉末衍射儀對所長晶體進行物相分析，結(jié)果表明所生長晶體為鐵酸釔相， 無其它雜相物質(zhì)存在。采用NETZSCH STA449C差熱分析儀測試晶體的居里點，熱磁法分析 表明YFeO3晶體的居里點約為628. 6K ；用Lambda 900 UV/VIS/IR光譜儀測定晶體的透過光 譜，結(jié)果表明晶體在無鍍膜的情況下，在1200 - 3000nm的范圍內(nèi)的透過率大于48%。
實施例子3
(1)多晶原料的合成按Y/ (Y+Fe)的摩爾分數(shù)為20. 0%的比例準確稱量純度為99. 99%的Fe2O3和Y2O3藥品， 將所稱取的藥品放入剛玉研缽中研磨均勻，然后在壓片機上壓制成片，接著進行高溫燒結(jié)， 燒結(jié)溫度為1200°C，燒結(jié)時間為15小時，制備成多晶原料。(2)單晶生長采用導(dǎo)模提拉法，以銥金坩堝為晶體的生長容器，將導(dǎo)模模具裝 好放入坩堝中心，再向坩堝中加入制備好的多晶原料，在氮氣氣氛下加熱坩堝使多晶原料 熔化成熔融體，并使多晶原料的熔融體5沒過導(dǎo)模模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融 體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向縫隙上升到模具上表面，然后在模具上 表面上下籽晶進行單晶提拉生長，生長速率為0.01mm/h，通過觀察晶體生長時晶體與圓 形銥片間薄液層及生長趨勢的變化情況，實時調(diào)節(jié)歐陸表電勢的升降及其變化速率(當 薄液層變薄或晶體有放大趨勢時，需升高電勢；反之，則需降低電勢。電勢的升降范圍為 100-1500mV,變化速率范圍為0_200mV/h)，控制晶體生長形態(tài)。(3)晶體退火當晶體生長結(jié)束后，將晶體提升并脫離熔融體，調(diào)整晶體高度，使其 高出導(dǎo)模模具1mm，然后設(shè)定降溫程序，緩慢退火至室溫，降溫速率為8-120°C /h，退火時間 為20-30小時，得到鐵酸釔晶體。本實施例制備的鐵酸釔晶體的測試結(jié)果
采用X射線粉末衍射儀對所長晶體進行物相分析，結(jié)果表明所生長晶體為鐵酸釔相， 無其它雜相物質(zhì)存在。采用NETZSCH STA449C差熱分析儀測試晶體的居里點溫度，熱磁法 分析表明YFeO3晶體的居里點約為628. 6K ；用Lambda 900 UV/VIS/IR光譜儀測定晶體的透 過光譜，結(jié)果表明晶體在無鍍膜的情況下，在1200 - 3000nm的范圍內(nèi)的透過率大于48%。實施例4
(1)多晶原料的合成按Y/(Y+Fe)的物質(zhì)的量為40. 0%的比例準確稱量純度為99. 99% 的Fe2O3和Y2O3藥品，將所稱取的藥品放入剛玉研缽中研磨均勻，然后在壓片機上壓制成片， 接著進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200°C，燒結(jié)時間為15小時，制備成多晶原料。(2)單晶生長采用導(dǎo)模提拉法，以銥金坩堝為晶體的生長容器，將導(dǎo)模模具裝好 放入坩堝中心，在導(dǎo)模模具上表面放置帶孔的圓形銥片，再向坩堝中加入制備好的多晶原 料，在氮氣氣氛下加熱坩堝使多晶原料熔化成熔融體，并使多晶原料的熔融體5沒過導(dǎo)模 模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向 縫隙上升到圓形銥片的上表面，然后在圓形銥片上下籽晶進行單晶提拉生長，生長速率為 0. 5mm/h，通過觀察晶體生長時晶體與圓形銥片間薄液層及生長趨勢的變化情況，實時調(diào)節(jié) 歐陸表電勢的升降及其變化速率(當薄液層變薄或晶體有放大趨勢時，需升高電勢；反之， 則需降低電勢。電勢的升降范圍為100-1500mV，變化速率范圍為0-200mV/h)，控制晶體生 長形態(tài)。(3)晶體退火當晶體生長結(jié)束后，將晶體提升并脫離熔融體，調(diào)整晶體高度，使其 高出導(dǎo)模模具1mm，然后設(shè)定降溫程序，緩慢退火至室溫，降溫速率為8-120°C /h，退火時間 為20-30小時，得到鐵酸釔晶體。采用χ射線粉末衍射儀對所長晶體進行物相分析，結(jié)果表明所生長晶體為鐵酸釔 相，無其它雜相物質(zhì)存在。采用NETZSCH STA449C差熱分析儀測試晶體的居里點，熱磁法分 析表明YFeO3晶體的居里點約為628. 6K ；用Lambda 900 UV/VIS/IR光譜儀測定晶體的透過 光譜，結(jié)果表明晶體在無鍍膜的情況下，在1200 - 3000nm的范圍內(nèi)的透過率大于48%。
本實施例制備的鐵酸釔晶體的測試結(jié)果
采用X射線粉末衍射儀對所長晶體進行物相分析，結(jié)果表明所生長晶體為鐵酸釔相， 無其它雜相物質(zhì)存在。采用NETZSCH STA449C差熱分析儀測試晶體的居里點溫度，熱磁法 分析表明YFeO3晶體的居里點約為628. 6K ；用Lambda 900 UV/VIS/IR光譜儀測定晶體的透 過光譜，結(jié)果表明晶體在無鍍膜的情況下，在1200 - 3000nm的范圍內(nèi)的透過率大于48%。實施例子5
(1)多晶原料的合成按Y/Fe的物質(zhì)的量為1 1的比例準確稱量純度為99. 99%的Fe2O3 和Y2O3藥品，將所稱取的藥品放入剛玉研缽中研磨均勻，然后在壓片機上壓制成片，接著進 行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200°c，燒結(jié)時間為15小時，制備成多晶原料。(2)單晶生長采用導(dǎo)模提拉法，以銥金坩堝為晶體的生長容器，將導(dǎo)模模具裝好 放入坩堝中心，在導(dǎo)模模具上表面放置帶孔的圓形銥片，再向坩堝中加入制備好的多晶原 料，在氮氣氣氛下加熱坩堝使多晶原料熔化成熔融體，并使多晶原料的熔融體5沒過導(dǎo)模 模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向 縫隙上升到圓形銥片的上表面，然后在圓形銥片上下籽晶進行單晶提拉生長，生長速率為 5. Omm/h，通過觀察晶體生長時晶體與圓形銥片間薄液層及生長趨勢的變化情況，實時調(diào)節(jié) 歐陸表電勢的升降及其變化速率(當薄液層變薄或晶體有放大趨勢時，需升高電勢；反之， 則需降低電勢。電勢的升降范圍為100-1500mV，變化速率范圍為0-200mV/h)，控制晶體生 長形態(tài)。(3)晶體退火當晶體生長結(jié)束后，將晶體提升并脫離熔融體，調(diào)整晶體高度，使其 高出導(dǎo)模模具1mm，然后設(shè)定降溫程序，緩慢退火至室溫，降溫速率為8-120°C /h，退火時間 為20-30小時，得到鐵酸釔晶體。本實施例制備的鐵酸釔晶體的測試結(jié)果
采用χ射線粉末衍射儀對所長晶體進行物相分析，結(jié)果表明所生長晶體為鐵酸釔相， 無其它雜相物質(zhì)存在。采用NETZSCH STA449C差熱分析儀測試晶體的居里點，熱磁法分析 表明YFeO3晶體的居里點約為628. 6K ；用Lambda 900 UV/VIS/IR光譜儀測定晶體的透過光 譜，結(jié)果表明晶體在無鍍膜的情況下，在1200 - 3000nm的范圍內(nèi)的透過率大于48%。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法，其特征在于將內(nèi)部帶有縱向縫隙的導(dǎo)模模具放入坩堝中，再向坩堝中加入多晶原料，加熱坩堝使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融體沒過導(dǎo)模模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向縫隙上升到導(dǎo)模模具的上表面，然后在導(dǎo)模模具的上表面下籽晶并提拉獲得鐵酸釔單晶；所述多晶原料由Y2O3、YFeO3、Y3Fe5O12、YFe2O4中的一種或幾種化合物與Fe2O3組成，多晶原料中Y元素的物質(zhì)的量與Y元素和Fe元素的物質(zhì)的量之和的比Y/(Y+Fe)為37.5% 50%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)模提拉法生長鋱鋁石榴石晶體的方法，其特征在于 所述導(dǎo)模模具的上表面可加設(shè)帶孔模片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法，其特征在于所述 帶孔模片是帶有直徑小于或等于2. Omm孔的模片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)模提拉法生鐵酸釔晶體的方法，其特征在于所述導(dǎo) 模模具內(nèi)部縱向縫隙橫截面面積的總和小于等于導(dǎo)模模具上表面面積的80%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法，其特征在于晶體 的提拉沿結(jié)晶學(xué)任意方向，晶體的提拉生長速度為0. 01-5. Omm/h ；所述的模具內(nèi)帶有縱向 縫隙的導(dǎo)模模具和帶孔的模片是由高熔點材料制成；高熔點材料是指鉬、銥、銠、硼化鉿和 硼化鋯熔點在1710°C以上的金屬或合金材料。
全文摘要
一種導(dǎo)模提拉法生長鐵酸釔晶體的方法，是將內(nèi)部帶有縱向縫隙的導(dǎo)模模具放入坩堝中，再向坩堝中加入多晶原料，加熱坩堝使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融體沒過導(dǎo)模模具下部的縫隙，以使多晶原料的熔融體在毛細管效應(yīng)的作用下沿著導(dǎo)模模具內(nèi)的縱向縫隙上升到導(dǎo)模模具的上表面，然后下籽晶并提拉獲得鐵酸釔單晶。本發(fā)明能夠制備大尺寸鐵酸釔單晶晶體，同時能夠簡化晶體的后加工工序，降低制備晶體的成本，且晶體生長速率快，制備的晶體光學(xué)均勻性好，解決了提拉法難以制備大尺寸體單晶的問題。
文檔編號C30B29/24GK101942694SQ20101051270
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者莊乃鋒, 林樹坤, 聶建彪, 胡曉琳, 趙斌, 陳建中, 陳文斌 申請人:福州大學(xué)