專利名稱：摻雜稀土的镥鋁石榴石晶體制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種新型閃爍及激光材料一_摻雜稀土的镥鋁石榴石晶體(Re:Lu3Al50u)
的制備方法，通過對特殊的原料制備及晶體處理工藝，使其具有更高的密度及光 學(xué)性質(zhì)。
背景技術(shù)：
Lu203-Al203體系是以Y203-A1203體系為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。由于Y203-A1203. 體系中存在如YAG (釔鋁石榴石，Y3A15012)和YAP (鋁酸釔，YA103)這兩種 相，由于它們具有良好的物化性質(zhì)和光學(xué)性能成為了最常用的基質(zhì)材料。人們通 過摻雜Nd、 Yb及Ce等激活離子來制備出高性能的激光或閃爍材料。如常用的 Nd:YAG和Yb:YAG激光晶體，Ce:YAP閃爍晶體。目前人們也在研究了 Ce:YAG 及Yb:YAG的閃爍性能。但隨著科技的發(fā)展，YAP和YAG由于密度相對較低而 輻射長度較大，無法滿足小型探測器的要求，因此人們Li^+離子來代替f+離 子得到Lu2Cb-Al203體系。研究發(fā)現(xiàn)如摻鈰鋁酸镥(即Ce丄uA103)閃爍晶體的密 度可達(dá)8.34g/cm3，是人們所研究的醫(yī)用閃爍體中密度最高的材料之一。而參照 摻雜Yb及Ce等激活離子YAG晶體的閃爍及激光性能的發(fā)展，對镥鋁石榴石晶 體的制備在實(shí)際應(yīng)用有著重要的作用。
目前國內(nèi)相關(guān)的研究主要是硅酸鹽所的硅酸镥透明陶瓷的制備，雖取得了相 對較高的透明度，但由于多晶結(jié)構(gòu)陶瓷體的晶界對光的折射和吸收，其光學(xué)特點(diǎn) 相對于晶體來講還是有較大的差距。而國內(nèi)相關(guān)晶體研究則集中于鋁酸镥晶體的 生長，但由于Lu20rAl203體系同時存在三種相，而鋁酸镥相是一種高溫穩(wěn)定相， 而相比在室溫下屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定相，通常在生長時容易形成其它相而很難生長 出大尺寸晶體，且易于開裂。而相比之下镥鋁石榴石參照較成熟的釔鋁石榴石的 生長工藝，則更易于生長出大尺寸晶體。通過摻雜不同的離子可以實(shí)現(xiàn)其為作激 光材料或閃爍材料的應(yīng)用。而相關(guān)國外少量的研究主要也僅集中于摻雜鈰離子的 硅酸镥的光學(xué)特性的研究，而本發(fā)明通過結(jié)合陶瓷制備工藝對原料進(jìn)行處理，并 針對晶體生長特別是后處理工藝的研究，可以既保持晶體的慘雜離子的原有價
3態(tài)，避免了氧化，同時又可減少會極易對晶體光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響的色心的形成。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的是以髙純度LU203與Al203粉為原料，采用提拉法制備出摻雜稀
土的镥鋁石榴石(Re:Lu3AlsOu)。具體制備工藝如下
(1) 將高純度Lu203及八1203粉體按摩爾比3:5,按摻雜的摩爾濃度為 0.01~10。/0加入Re203粉體，其中Re離子為Ce， Yb, Ho， Gd, Dy, Pr或Er中的一種或多種，將上述粉體進(jìn)行研磨混合；
(2) 將混合后的粉體加入至3-8mol/L硝酸溶液中加熱攪拌，使粉體溶解配制 成Lu(N03)3、 A1(N03)3及Re(N03)3的混合溶液；
(3) 將混合液置于冰水混合物水浴中，向溶液內(nèi)滴加氨水溶液并不斷攪拌， 滴加速度為3-10ml/min,滴加至PH值約5-7，沉淀不再增加時停止，并 繼續(xù)攪拌2-5小時，陳化放置混合物2448小時后進(jìn)行過濾，依次采用 去離子水和無水乙醇清洗4-5次
(4) 將沉淀在60-100。C下烘干12-24h后，取出進(jìn)行研磨l-5h后，放入馬弗 爐內(nèi)在600-1000°C煅燒12h。取出粉體經(jīng)研磨后在200-500MPa下模壓 成型制成坯料；
(5) 把坯料放入銥坩堝內(nèi)，置于單晶提拉爐內(nèi)；將單晶提拉爐抽真空至 l-9xl(T3Pa后，充入氦氣或氬氣至0.05-1MP,將溫度爐體溫度升溫至
2100oC;
(6) 待坯料完全熔化后，以銥金籽晶桿或镥鋁石榴石單晶作為籽晶，從熔體 中提拉生長。生長時提拉速度為l-5m/h,轉(zhuǎn)速為5-20rpm。生長完畢后 緩慢降至600-800°C,通入1-5%的氧氣，保溫12h后降至室溫，將晶體 出爐。
上述工藝歩驟(1-4)中，也可采用將LU203及A1203粉體按摩爾比3:5，按 摻雜的摩爾濃度為0.01~10%加入1^203粉體，進(jìn)行研磨混合1-5H后，將粉料放 入馬弗爐內(nèi)同時充入氮?dú)?，?00(M200。C煅燒10-12h。將將煅燒后粉體在 200-500MPa的壓力下，進(jìn)行模壓成型，將成型后坯料放入銥坩堝內(nèi)，置于單晶 提拉爐內(nèi)；其它歩驟與上述內(nèi)容相同本發(fā)明與已有技術(shù)相比，所研究的镥鋁石槽石比釔鋁石榴石具有更髙的密度 和更小的輻射長度，可以在較小的體積下更多地吸收X射線、Y射線或粒子 流，便于將其能量信息轉(zhuǎn)化為光信號，提髙其能量分辨率，使得醫(yī)學(xué)成像 或安檢射線探測設(shè)備小型化。從晶體制備工藝上來看，通過結(jié)合陶瓷制備工 藝對原料進(jìn)行處理，并針對晶體生長特別是后處理工藝的研究，可以既保持晶體 的摻雜離子的原有價態(tài)，避免了氧化，同時又可減少會極易對晶體光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生 影響的色心的形成。


圖1摻雜稀土的镥鋁石榴石晶體生長設(shè)備示意圖。 圖2為镥鋁石榴石的XRD圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施實(shí)例l
將摩爾比3:5的Lu203及Al203粉體，摻雜摩爾濃度為0.1%加入Ce203粉體 進(jìn)行研磨混合，加入5mol/L硝酸溶液并加熱攪拌使其溶解，將溶液液置于冰水 混合物水浴中，向溶液內(nèi)滴加氨水溶液并不斷攪拌，滴加速度為5ml/min，使混 合液置于冰水混合物水浴中中反應(yīng)并不斷攪拌，滴加至PH值約7，沉淀不再增 加時停止并繼續(xù)攪拌5小時，陳化24小時后過濾，用去離子水和無水乙醇清洗 4次;將沉淀在80°(:下烘干12h后，在馬弗爐內(nèi)800。C煅燒12h，將粉體在200MPa 的壓力下，模壓成直徑5cm，厚度為3cm的柱狀坯料，放入銥坩堝中置于單晶 提拉爐內(nèi)；將單晶提拉爐進(jìn)至真空度達(dá)5xl0'3Pa,充入氦氣至0.1MPa，將溫度 爐體溫度升溫至2100°C:待粉體坯料完全熔化后，以銥籽晶桿作為籽晶，從熔 體中提拉生長。生長時提拉速度為2m/h，轉(zhuǎn)速為10rpm。生長完畢后生長完畢 后緩慢降至80()ec,通入5%的氧氣，保溫12h后降至室溫，將晶體出爐。
實(shí)施實(shí)例2
將Lu20j及八1203粉體按摩爾比3:5,按摻雜的摩爾濃度為0. 1%加入YbzCb 粉體，進(jìn)行研磨混合2H后，將粉料放入馬弗爐內(nèi)同時充入氮?dú)?，?200°(:煅 燒12h。將煅燒后的粉體在400MPa的壓力下模壓成型，將成型后的坯料放入銥 坩堝內(nèi)，置于單晶提拉爐內(nèi)；將單晶提拉爐進(jìn)至真空度達(dá)5xl(T3Pa,充入氦至 O.lMPa，將溫度爐體溫度升溫至2100°C:待粉體坯料完全熔化后，以銥金籽晶
5桿作為籽晶，從熔體中提拉生長。生長時提拉速度為2m/h，轉(zhuǎn)速為10rpm。生 長完畢后生長完畢后緩慢降至800。C，通入5%的氧氣，保溫12h后降至室溫'
將晶體出爐。
權(quán)利要求
1一種新型閃爍及激光材料——摻雜稀土的镥鋁石榴石晶體制備工藝，其特殊的處理工藝可以使其摻雜的稀土離子保持其原有價態(tài)，同時減少會影響晶體光學(xué)質(zhì)量的色心等點(diǎn)缺陷的濃度，其中稀土離子可為Ce，Yb，Ho，Gd，Dy，Pr，Er等的一種或多種離子。其具體的制備工藝如下1)將高純度Lu2O3及Al2O3粉體按摩爾比3∶5，按摻雜的摩爾濃度為0.01～10％加入Re2O3粉體，基中Re離子為Ce，Yb，Ho，Gd，Dy，Pr或Er中的一種或多種，將上述粉體進(jìn)行研磨混合；2)向混合后的粉體加入硝酸溶液中加熱溶解，配制成Lu(NO3)3、Al(NO3)3及Re(NO3)3的混合溶液；3)向混合后的溶液滴加氨水溶液，使之產(chǎn)生沉淀并不斷攪拌，滴加至PH值約5-7，沉淀不再增加后陳化混合物24-48小時，進(jìn)行過濾用去離子水和無水乙醇清洗；4)將沉淀在60-100℃下烘干12-24h后研磨，在600-1000℃煅燒12h。取出粉體模壓成型制成坯料；5)把坯料放入銥坩堝內(nèi)，置于單晶提拉爐內(nèi)；將單晶提拉爐抽真空后充入氦氣至，將溫度爐體溫度升溫至2100℃；6)待坯料完全熔化后，以銥金籽晶桿或镥鋁石榴石單晶作為籽晶，從熔體中提拉生長。生長完畢后緩慢降至600-800℃，通入1-5％的氧氣，保溫12h后降至室溫，將晶體出爐。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1其粉料的制備也可采用Lii203及八1203粉體按摩爾比3:5， 并按摻雜的摩爾濃度為0.01~10%加入Re203粉體，但其在馬弗爐內(nèi)煅燒溫度要 提高至1100-1200。C煅燒10-12h,同時要通入氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，避免其摻雜離子被 氧化。
全文摘要
一種新型閃爍或激光材料一摻稀土的镥鋁石榴石晶體的生長方法，該材料是以釔鋁石榴石這種最常用的閃爍或激光的基質(zhì)材料之一為基礎(chǔ)，在保持原有的光學(xué)特性外，通過將镥離子替代釔離子來獲得更高的密度和性能，并通過摻雜稀土離子來獲得所需的光學(xué)特性。將以Lu₂O₃及Al₂O₃粉體原料制備成硝酸鹽，通過調(diào)整pH值來產(chǎn)生沉淀，這樣可以避免常見的原料混合高溫煅燒法引起的摻雜離子價態(tài)變化，并通過晶體生長完成后的處理，降低色心等點(diǎn)缺陷的濃度。從而提高制備出的晶體的質(zhì)量。
文檔編號C30B29/28GK101294302SQ200710101530
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者周昌勇, 方 徐, 肖華平, 蔣成勇, 陳紅兵 申請人:寧波大學(xué)