專利名稱：硅酸釓單晶體的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅酸釓晶體，特別是一種提拉法生長(zhǎng)硅酸釓(Gd2SiO5，以下簡(jiǎn)稱GSO)或稀土摻雜GSO晶體的方法。具體地講，是在晶體生長(zhǎng)后期，采取特殊的收尾工藝使晶體的尾部與肩部形狀對(duì)稱一致，以減少晶體開(kāi)裂的幾率。所生長(zhǎng)的GSO或者Ce:GSO晶體可以廣泛應(yīng)用于高能物理、核物理、核醫(yī)學(xué)、油井探測(cè)以及安全檢測(cè)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅酸釓(Gd2SiO5，或GSO)是一種優(yōu)良的發(fā)光基質(zhì)晶體材料，稀土離子摻雜的GSO單晶體具有較好的發(fā)光性能。例如稀土鈰離子(Ce)摻雜的GSO晶體(Ce:GSO)就是一種性能優(yōu)良的高溫閃爍晶體，該晶體具有高光輸出(8000Ph/MeV)、快時(shí)間衰減(60ns)、大有效原子序數(shù)(Z＝59)和高密度(ρ＝6.71g/cm3)等特性，同時(shí)Ce:GSO晶體的抗輻照能力強(qiáng)，也不易潮解。因此，Ce:GSO在高能物理核物理、影像核醫(yī)學(xué)(PET)、油井勘測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
硅酸釓晶體屬于一致熔融化合物，熔點(diǎn)約為1950℃，因此通常采用感應(yīng)加熱銥坩堝提拉法生長(zhǎng)GSO或者摻雜GSO單晶體。由于硅酸釓晶體屬于P21/c結(jié)構(gòu)，沿(100)面解理，并且硅酸釓有非常嚴(yán)重的各向異性(熱漲系數(shù)b軸是a和c軸的兩倍)(參見(jiàn)Journal of Crystal Growth 109(1991)第386頁(yè))。所以，在提拉法生長(zhǎng)GSO晶體過(guò)程中很容易出現(xiàn)晶體開(kāi)裂、解理等(參見(jiàn)Kurata等人申請(qǐng)的美國(guó)專利，專利號(hào)5,667,583)。
在先技術(shù)中，提拉法生長(zhǎng)GSO晶體或者摻雜的GSO晶體時(shí)，在晶體等徑尺寸達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度尺寸時(shí)，常常采用快提拉速度或者采用手動(dòng)提拉將晶體與熔體脫離，至此晶體生長(zhǎng)結(jié)束(參見(jiàn)Kurata等人申請(qǐng)的美國(guó)專利，專利號(hào)5,690,731；參見(jiàn)1997年P(guān)roceedings of the Internatial Conference on Inorganic Scintillators andtheir Applications，第295-298頁(yè))。在先技術(shù)生長(zhǎng)后期采取的快提拉使晶體與熔體脫離具有下列缺點(diǎn)第一，由于固液界面處的溫度較高(約1950℃)，溫度梯度較大(50-200℃/mm)，脫離熔體的GSO晶體將在很短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)受較大的熱沖擊(晶體與熔體距離一般約為2-5mm)，很容易使GSO晶體解理、開(kāi)裂；第二，脫離熔體的GSO晶體的下端常常呈微凸或者平坦的界面，此時(shí)晶體主要靠輻射和熱對(duì)流與熔體進(jìn)行熱交換，同時(shí)晶體將熱量通過(guò)晶體的肩部和籽晶導(dǎo)走，由于導(dǎo)熱的不均勻性(下部近平界面，上部呈園錐形，如圖1所示)，很容易造成GSO晶體的開(kāi)裂解理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種硅酸釓單晶體的生長(zhǎng)方法，以減少晶體開(kāi)裂解理的幾率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種硅酸釓單晶體的生長(zhǎng)方法，其特點(diǎn)是在提拉法中采取下列收尾程序在GSO晶體生長(zhǎng)后期，即晶體等徑部分的長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定尺寸后，通過(guò)緩慢的升溫程序5-50℃/h進(jìn)行晶體的升溫生長(zhǎng)，由于晶體的吸熱大于晶體的散熱，晶體將會(huì)形成與肩部相對(duì)稱一致的圓錐形狀，直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到與籽晶尺寸相同時(shí)，恒溫生長(zhǎng)5-30mm長(zhǎng)度后，再采用緩慢的降溫程序?qū)SO晶體降至室溫，最后取出所生長(zhǎng)的純的或摻雜的GSO晶體。
由于在GSO晶體生長(zhǎng)后期采用上述的收尾程序，晶體尾部的形狀以及尺寸基本與晶體的肩部對(duì)稱一致，極大地提高了晶體的散熱均勻性，減少了晶體的開(kāi)裂。
采用中頻感應(yīng)加熱提拉法，結(jié)合本發(fā)明的收尾工藝，生長(zhǎng)GSO以及Ce:GSO晶體的具體步驟如下(1)將預(yù)先配制的GSO或者Ce:GSO固態(tài)多晶原料裝入Ir坩堝內(nèi)，并將一定方向的GSO籽晶裝入籽晶夾中，同時(shí)將它們一并裝入提拉法單晶爐膛內(nèi)；(2)在中性氣氛或者還原性氣氛中，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝，熔化坩堝內(nèi)的多晶原料，并在高于晶體熔點(diǎn)50-100℃的溫度2000-2150℃范圍，恒溫1-3小時(shí)，使坩堝內(nèi)的熔體完全均化；(3)將溫度降至晶體的熔點(diǎn)1950℃下種，即讓籽晶與熔體接觸，恒溫0.5-1小時(shí)后，采用慢升溫提拉生長(zhǎng)晶體，即所謂的縮頸階段；(4)待生長(zhǎng)晶體的直徑尺寸小于籽晶直徑時(shí)，采用緩慢的降溫程序進(jìn)行晶體的放肩，待晶體的直徑尺寸達(dá)到預(yù)定尺寸時(shí)，開(kāi)始恒溫等徑生長(zhǎng)，上述晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體的生長(zhǎng)速度約為1-5mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為10-30RPM；(5)等徑晶體長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定尺寸時(shí)，開(kāi)始采用本發(fā)明的收尾程序進(jìn)行升溫生長(zhǎng)通過(guò)緩慢的升溫程序5-50℃/h進(jìn)行晶體的升溫生長(zhǎng)，使晶體形成與肩部基本對(duì)稱一致的圓錐形狀，直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到與籽晶尺寸相同時(shí)，恒溫生長(zhǎng)5-30mm長(zhǎng)后，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)SO晶體降至室溫。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)是采用上述精密的收尾程序，一方面避免晶體生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)快速提拉或手動(dòng)提拉造成晶體經(jīng)受過(guò)大的溫度梯度沖擊，從而解決了GSO晶體因此而造成的開(kāi)裂；另一方面，由于收尾程序使晶體尾部的形狀與肩部對(duì)稱一致，極大地提高了晶體散熱的均勻性，減少了GSO晶體的開(kāi)裂和解理的幾率。從而極大地提高了GSO以及Ce:GSO等晶體的成品率。


圖1未采用收尾程序生長(zhǎng)的GSO晶體示意圖；圖2采用收尾程序生長(zhǎng)的GSO晶體示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1采用本發(fā)明生長(zhǎng)硅酸釓GSO單晶體按感應(yīng)加熱提拉法生長(zhǎng)步驟(1)將預(yù)先配制好的GSO多晶原料裝入φ80×60mm的Ir金坩堝內(nèi)，并將尺寸為φ4×60mm的b軸GSO籽晶裝入籽晶夾中，將它們一并裝入提拉法單晶爐膛內(nèi)；步驟(2)在N2氣氛中，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝熔化坩堝內(nèi)的多晶原料，并在2000℃恒溫1小時(shí)，使坩堝內(nèi)的熔體完全均化；步驟(3)將溫度降至晶體的熔點(diǎn)1950℃下種，恒溫0.5小時(shí)后，采用慢升溫(50℃/h)進(jìn)行提拉生長(zhǎng)晶體，即所謂的縮頸階段；步驟(4)待生長(zhǎng)晶體的直徑為2mm時(shí)，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序進(jìn)行晶體的放肩，待晶體的直徑尺寸達(dá)到φ35mm時(shí)，開(kāi)始恒溫等徑生長(zhǎng)；步驟(5)等徑晶體長(zhǎng)度達(dá)60mm時(shí)，按緩慢升溫(50℃/h)進(jìn)行晶體的生長(zhǎng)，使晶體形成與肩部相對(duì)稱一致的圓錐形狀，直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到約為φ4mm時(shí)，恒溫生長(zhǎng)15mm長(zhǎng)度后，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)SO晶體降至室溫。
上述GSO晶體生長(zhǎng)中，晶體的生長(zhǎng)速度約為5mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為30RPM。最后取出的GSO晶體透明、完整、不開(kāi)裂。
實(shí)施例2用感應(yīng)加熱提拉法生長(zhǎng)Ce:GSO晶體步驟(1)將預(yù)先配制的Ce:GSO多晶原料裝入φ80×60mm的Ir金坩堝，將φ4×60mm的b軸GSO籽晶裝入籽晶夾中，并同時(shí)裝入提拉法單晶爐膛內(nèi)；步驟(2)在N2和1vol％(體積比)H2的混合氣氛中，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝，熔化坩堝內(nèi)的多晶原料，并在2150℃恒溫2小時(shí)，使坩堝內(nèi)的熔體完全均化；步驟(3)(4)生長(zhǎng)Ce:GSO晶體，直徑尺寸約為φ35mm；步驟(5)晶體等徑長(zhǎng)度達(dá)60mm時(shí)，進(jìn)行緩慢升溫(5℃/h)進(jìn)行晶體的生長(zhǎng)，使晶體形成與肩部相對(duì)稱一致的圓錐形狀，直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到約為φ4mm時(shí)，恒溫生長(zhǎng)約30mm長(zhǎng)度后，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)e:GSO晶體降至室溫。在生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體的生長(zhǎng)速度約為1mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為10RPM。最后取出的Ce:GSO晶體透明、完整、不開(kāi)裂。
實(shí)施例3用感應(yīng)加熱提拉法生長(zhǎng)Ce:GSO晶體步驟(1)將預(yù)先配制的Ce:GSO多晶原料裝入φ80×60mm的Ir金坩堝，將φ4×60mm的b軸GSO籽晶裝入籽晶夾中，并同時(shí)裝入提拉法單晶爐膛內(nèi)；步驟(2)在N2氣氛中，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝，熔化坩堝內(nèi)的多晶原料，并在2050℃恒溫3小時(shí)，使坩堝內(nèi)的熔體完全均化；步驟(3)(4)生長(zhǎng)Ce:GSO晶體，直徑尺寸約為φ35mm；步驟(5)晶體等徑長(zhǎng)度達(dá)60mm時(shí)，進(jìn)行緩慢升溫(20℃/h)進(jìn)行晶體的生長(zhǎng)，使得晶體形成與肩部相對(duì)稱一致的圓錐形狀，直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到約為φ4mm時(shí)，恒溫生長(zhǎng)約30mm長(zhǎng)度后，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)e:GSO晶體降至室溫。晶體的生長(zhǎng)速度約為2mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為20RPM。最后取出的Ce:GSO晶體透明、完整、不開(kāi)裂。
權(quán)利要求
1.一種硅酸釓單晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于該方法的關(guān)鍵是在提拉法生長(zhǎng)硅酸釓單晶體的收尾階段采用如下程序在GSO晶體生長(zhǎng)后期，即晶體等徑部分的長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定尺寸后，按5-50℃/h的升溫程序進(jìn)行晶體的升溫生長(zhǎng)，晶體的直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到與籽晶尺寸相同時(shí)，恒溫生長(zhǎng)約5-30mm長(zhǎng)度后，再開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)SO晶體降至室溫，最后取出GSO晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅酸釓單晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(1)將預(yù)先配制的GSO或者Ce∶GSO等固態(tài)多晶原料裝入銥坩堝內(nèi)，并將一定方向的GSO籽晶裝入籽晶夾中，同時(shí)將它們一并裝入提拉法的單晶爐膛內(nèi)；(2)在中性氣氛或者還原性氣氛中，采用中頻感應(yīng)加熱銥坩堝熔化坩堝內(nèi)的多晶原料，并在高于晶體熔點(diǎn)的溫度2000-2150℃恒溫1-3小時(shí)，使坩堝內(nèi)的熔體完全均化；(3)將溫度降至晶體的熔點(diǎn)1950℃下種，恒溫0.5-1小時(shí)后，采用慢升溫進(jìn)行提拉生長(zhǎng)晶體，即所謂的縮頸階段；(4)待生長(zhǎng)晶體的直徑尺寸小于籽晶直徑時(shí)，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序進(jìn)行晶體的放肩，待晶體的直徑尺寸達(dá)到預(yù)定尺寸時(shí)，開(kāi)始恒溫等徑生長(zhǎng)，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體的生長(zhǎng)速度為1-5mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為10-30RPM；(5)等徑晶體長(zhǎng)度達(dá)預(yù)定尺寸時(shí)，開(kāi)始采用收尾程序進(jìn)行升溫生長(zhǎng)按5-50℃/h緩慢的升溫程序進(jìn)行晶體的升溫生長(zhǎng)，使晶體形成與肩部相對(duì)稱一致的圓錐形狀，待晶體尾部直徑達(dá)到與籽晶尺寸相同時(shí)，恒溫生長(zhǎng)5-30mm后，開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)SO晶體降至室溫。
全文摘要
一種硅酸釓單晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于該方法的關(guān)鍵是在提拉法生長(zhǎng)硅酸釓單晶體的收尾階段采用如下程序在GSO晶體生長(zhǎng)后期，即晶體等徑部分的長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定尺寸后，按5－50℃/h的升溫程序進(jìn)行晶體的升溫生長(zhǎng)，晶體的直徑逐漸變細(xì)，待晶體尾部直徑達(dá)到與籽晶尺寸相同時(shí)，恒溫生長(zhǎng)約5－30mm長(zhǎng)度后，再開(kāi)始采用緩慢的降溫程序?qū)SO晶體降至室溫，最后取出GSO晶體。本發(fā)明一方面避免了單晶生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)快速提拉或手動(dòng)提拉造成晶體的開(kāi)裂；另一方面，由于收尾程序使晶體尾部的形狀與肩部對(duì)稱一致，極大地提高了晶體散熱的均勻性，減少了GSO晶體的開(kāi)裂和解理的幾率。從而極大地提高了GSO以及Ce:GSO等晶體的成品率。
文檔編號(hào)C30B15/00GK1544711SQ20031010877
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者趙廣軍, 徐軍, 何曉明, 介明印, 曾雄輝, 張連翰, 周圣明, 龐輝勇, 周國(guó)清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所