專利名稱：大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種光學晶體，特別是一種大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體(LiNbO3)15本 發(fā)明還涉及一種大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法。
背景技術：
LiNbO3是一種集壓電、熱電、鐵電、電光、聲光、光彈、非線性、光折變及激光活性等 多種效應于一身的人工晶體，實施不同摻雜后能呈現(xiàn)出各種各樣的特殊性能，是至今人們 所發(fā)現(xiàn)的光子性能最多、綜合指標最好的晶體。LN晶體具有十分廣闊的市場應用前景，其 在工程領域已得到廣泛應用，用它制作的器件有聲表面波器件、高頻高能換能器、紅外探測 器、激光調制器、激光倍頻器、光學參量振蕩器、無線電高頻帶通濾波器、延遲線、光放大器、 光開關、光學存儲器和光波導器件等。眾所周知，晶體的尺寸越大，制備的電子元器件集成度也越高，所以生長大尺寸的 鈮酸鋰晶體具有很強的工程應用價值。但同時，由于LiNbO3是在高溫下通過熔鹽法制備的， 晶體尺寸越大，殘余熱應力也就相應變大，容易導致晶體開裂。目前報道的未摻雜鈮酸鋰晶 體尺寸已達到200mm。在實際應用領域，為了滿足對特定功能的需求，必須對LiNbO3進行摻 雜改性，如摻入鐵、錳、銅、鈰等離子能改善其光折變性能，摻入鋅、鎂、銦、鈧等離子能提高 其抗光致散射性能，摻入稀土元素如鉺、鐿、鐠等能得到激光晶體。摻雜離子一方面能顯著 改善晶體的某些性能，但同時又引起晶體產(chǎn)生很大的結構畸變，在生長過程中也容易引起 晶體開裂，所以大尺寸摻雜LiNbO3的制備就變得十分困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種晶體直徑大，無明顯宏觀缺陷，光學均勻性較好的大 尺寸摻雜鈮酸鋰晶體。本發(fā)明的目的還在于提供一種大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體是由Li2CO3與Nb2O5高純粉末及摻雜劑，通過提拉 法從熔鹽中制備得到。所述Li2CO3與Nb2O5高純粉末原料采用同成份配比，即[Li2CO3] / [Nb2O5]= 48. 6/51. 4。所述摻雜劑加入量分別為光折變介質Fe、Mn、Cu或Ce摻入量為0. 01-0. Iwt. % ； 抗光致散射介質MgO摻入量l-6mol%、ZnO摻入量l_7mol%、In2O3摻入量0. 5_3mol%或 Sc2O3 摻入量 0. 5-3mol % ；Er、Yb 或 Pr 稀土元素摻入量 0. Ι-lwt. %。本發(fā)明的大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法為1、按照Li2C03/Nb205 = 48. 6/51. 4;摻雜劑加入量分別為光折變介質Fe、Mn、 Cu或Ce摻入量為0.01-0. Iwt. %，抗光致散射介質MgO摻入量l_6mol%、ZnO摻入量 l-7mol%、In2O3 摻入量 0. 5_3mol%或 Sc2O3 摻入量 0. 5_3mol %，Er、Yb 或 Pr 稀土元素摻入 量0. Ι-lwt. % ；充分混合均勻后放在鉬金坩堝內，首先在650-700°C下恒溫2個小時，使CO2從Li2CO3中慢慢分解掉；2、接下來升溫到1100-1200°c，恒溫3小時，使Nb2O5與Li2O充分進行固相反應，合 成出LiNbO3多晶料；3、利用中頻加熱合成的LiNbO3S晶料，利用提拉法，按引晶、放肩、等徑生長、拉脫 和退火過程生長大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體，溫度梯度5-10°C /cm，提拉速度1-1. 5mm/小時，旋 轉速度 2-4rpm/min ；4、對生長的LiNbO3進行極化處理，極化溫度1200°C，極化電流為5mA/cm2，通電時 間30分鐘，然后退火，得到單疇化大尺寸摻雜LiNbO3晶體。由于生長大尺寸晶體，晶體質量較大，所以本發(fā)明中采用的籽晶桿為高溫強度好 的鉬銠合金桿；采用的籽晶也較大，尺寸為5mmX5mmX15mm。要生長大尺寸晶體，必須降低 溫度梯度，本發(fā)明采用中頻加熱爐生長晶體，采用了保溫性能好的莫來石保濕磚加工了保 溫罩，使溫度梯度達到5-10°C /cm，達到了生長大尺寸晶體的要求。此外，本發(fā)明過程中采 用的提拉速度為1-1. 5mm/小時，旋轉速度為2-4rpm/min。為了防止生長的晶體由于靜電發(fā) 生開裂，在籽晶桿上連接了接地的導線，以消除產(chǎn)生的靜電。為了降低晶體生長過程中產(chǎn)生 的熱應力，采用緩慢退火至室溫的方法，退火速度為20-40°C /小時。


圖1三英寸摻鋅鈮酸鋰晶體照片；圖2五英寸摻鐵鈮酸鋰晶體照片。
具體實施例方式本發(fā)明的大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法具體包括如下步驟1、在電子天平上稱量各種原料與摻雜劑，并且充分混合均勻，混合均勻的原料放 在鉬金坩堝內，首先在650-700°C下恒溫2個小時，目的是充分焙燒原料，使CO2從Li2CO3中 慢慢分解掉，避免在生長過程中CO2氣體的快速揮發(fā)帶走組份破壞了晶體生長條件。2、接下來升溫到1100-1200°C，恒溫3小時，目的是使Nb2O5與Li2O充分進行固相 反應，合成出LiNbO3多晶料，這時得到的燒結料就可作為生長晶體的原料。3、利用中頻加熱合成的LiNbO3S晶料，利用提拉法，按引晶、放肩、等徑生長、拉脫 和退火過程生長大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體，溫度梯度5-10°C /cm，提拉速度1 1. 5mm/小時， 旋轉速度2 4rpm/min。4、對生長的LiNbO3進行極化處理，極化溫度1200°C，極化電流為5mA/cm2，通電時 間30分鐘，然后退火，得到單疇化大尺寸摻雜LiNbO3晶體。以下列舉兩個具體實例1、按[Li2CO3]/[Nb2O5] = 48. 6/51.4比例稱取原料，再按Zn摻入量稱取7mol%的 ZnO，充分混合后裝入鉬金坩堝，在700°C下焙燒2小時，升溫到1100°C，保溫3小時。接著 進行中頻加熱，使物料熔化，按引晶、放肩、等徑生長、拉脫和退火過程生長大尺寸摻雜鈮酸 鋰晶體，溫度梯度6°C /cm，提拉速度2mm/小時，旋轉速度4rpm/min。得到1英寸摻鋅鈮酸 鋰晶體如圖2所示。2、按[Li2CO3]/[Nb2O5] = 48. 6/51. 4 比例稱取原料，再按 Fe 摻入量稱取 0. 03wt. %的Fe2O3，充分混合后裝入鉬金坩堝，在650°C下焙燒2小時，升溫到1100°C，保溫3小時。接 著進行中頻加熱，使物料熔化，按引晶、放肩、等徑生長、拉脫和退火過程生長大尺寸摻雜鈮 酸鋰晶體，溫度梯度5°C /cm，提拉速度Imm/小時，旋轉速度3rpm/min。得到5英寸摻鐵鈮 酸鋰晶體如圖2所示。
權利要求
一種大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體，其特征是由Li2CO3與Nb2O5高純粉末及摻雜劑，通過提拉法從熔鹽中制備得到。
2.根據(jù)權利要求1所述的大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體，其特征是所述Li2CO3與Nb2O5高純 粉末原料采用同成份配比，即[Li2CO3]/[Nb2O5I =48.6/51.4。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體，其特征是所述摻雜劑加入量 分別為光折變介質Fe、Mn、Cu或Ce摻入量為0. 01-0. Iwt. %;抗光致散射介質MgO摻入量 l-6mol%、Zn0 摻入量 l_7mol %、In2O3 摻入量 0. 5_3mol%或 Sc2O3 摻入量 0. 5-3mol% ；Er、 Yb或Pr稀土元素摻入量0. Ι-lwt. %。
4.一種大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征是(1)、按照Li2C03/Nb205= 48. 6/51. 4 ；摻雜劑加入量分別為光折變介質Fe、Mn、Cu或 Ce摻入量為0. 01-0. Iwt. %，抗光致散射介質MgO摻入量l_6mol%,ZnO摻入量l_7mol%、 In2O3摻入量0. 5-3mol %或Sc2O3摻入量0. 5-3mol %，Er、Yb或Pr稀土元素摻入量 0. Ι-lwt. % ；充分混合均勻后放在鉬金坩堝內，首先在650-700°C下恒溫2個小時，使CO2從 Li2CO3中慢慢分解掉；(2)、接下來升溫到1100-1200°C，恒溫3小時，使Nb2O5與Li2O充分進行固相反應，合成 出LiNbO3多晶料；(3)、利用中頻加熱合成的LiNbO3多晶料，利用提拉法，按引晶、放肩、等徑生長、拉脫和 退火過程生長大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體，溫度梯度5-10°C /cm，提拉速度1-1. 5mm/小時，旋轉 速度 2-4rpm/min ；(4)、對生長的LiNbO3進行極化處理，極化溫度1200°C，極化電流為5mA/cm2，通電時間 30分鐘，然后退火，得到單疇化大尺寸摻雜LiNbO3晶體。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法。各種原料與摻雜劑并且充分混合均勻，在650-700℃下恒溫2個小時；升溫到1100-1200℃，恒溫3小時，合成出LiNbO3多晶料；加熱合成的LiNbO3多晶料，利用提拉法，按引晶、放肩、等徑生長、拉脫和退火過程生長大尺寸摻雜鈮酸鋰晶體；對生長的LiNbO3進行極化處理，得到單疇化大尺寸摻雜LiNbO3晶體。
文檔編號C30B15/00GK101956236SQ201010514569
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權日2010年10月21日
發(fā)明者方雙全 申請人:哈爾濱工程大學