大尺寸Al₂O₃基晶體的二步法製備方法

2023-05-07 00:04:21

專利名稱：大尺寸Al2O3基晶體的二步法製備方法
技術領域：
本發明屬於晶體生長領域，具體涉及Al2O3基晶體的二步法製備方法。
背景技術：
剛玉由於具有高強度、高熔點、化學惰性和多種光學特性等物理性能，因此應用十 分廣泛。不摻雜的α -Al2O3的稱為白寶石，摻Cr2O3的Al2O3晶體呈紅色，通常稱之為紅寶石， 紅寶石以外的其他顏色的剛玉通稱為(彩色)藍寶石，如無色藍寶石，藍色藍寶石，黃色藍 寶石，粉紅藍寶石，綠色藍寶石，橙色藍寶石，紫色藍寶石。摻雜不同元素的Al2O3晶體呈現 不同的顏色，由於其獨特的物理化學性能在工業、裝飾、醫療器械、光學等領域發揮日益重 要的作用。作為裝飾寶石，摻上不同元素可製成名貴的天然紅寶石、藍寶石以及其他顏色的 寶石和星芒寶石的仿製品；作為超硬材料廣泛用作鐘錶工業耐磨軸承和永不磨損的表蒙； 作為穩定的惰性材料可用作耐磨蝕的化學器皿、外延基片和醫用植入材料；作為光學介質， 寶石是性能優良的紅外窗口材料；作為雷射材料，鈦寶石則是雷射晶體中的一顆新星，它是 目前最好的可調諧雷射晶體。白寶石(a-Al2O3)晶體具有一系列獨特而優良的物理化學性 能，特別是0. 2 0. 5 μ m波段有良好透光性，一直廣泛應用於紅外軍事裝備、衛星和空間技 術的儀表及高功率雷射器(如HF、DF、CO2雷射器)的窗口材料，近來又成為重力波探測器 中光學系統的首先材料。光學浮區法是近年來得到迅速發展的一種晶體生長方法，其應用範圍也越來越廣 泛。可用於生長釩酸鹽雷射晶體，鋁酸鹽雷射晶體，以及超導等多種功能晶體。與提拉法和 坩堝下降法等常規晶體生長方法相比，光學浮區法最獨特的地方在於實現了無坩堝生長， 這就避免了原料與坩堝的汙染，因此對於易汙染的材料生長提供了一種有效途徑。浮區法 屬於熔體生長一種方法，在生長的晶體和多晶棒之間形成一段熔區，熔區的穩定是靠表面 張力和重力的平衡來維持的。熔區自上而下，或者自下而上移動，以完成結晶過程。浮區法 生長晶體的加熱源有RF感應加熱，放電，電弧，電阻加熱，光聚焦。光聚焦作為加熱源的晶 體生長方法稱為光學浮區法，它是將光源發出的光，經過聚焦作為熱源，送到被加熱的多晶 樣品上，待多晶熔化以後，生長晶體。浮區法浮區法具有加熱溫度不受坩堝熔點限制，並且 生長速度較快等優點，被廣泛應用於高溫難熔氧化物和金屬間化合物生長。二步法(Two Zone Passage)屬於光學浮區法(Optical Floating Zone Method) 生長晶體的一種改良方法，主要見於高熔點的硼化物晶體的生長。在二步法中，第一步目的 在於得到緻密的料棒，第二步在於得到高質量的晶體。(TanakaJ. ；Sato,Α. ；Takenouchi, S. ；Kamiya,K. ；Numazawa,Τ· ,Floating—zone crystal growth of Nb—doped YB66 for soft X-ray monochromator use. Journal of Crystal Growth 2005,275(1-2),1889-1893.)。 Al2O3基晶體一般製備困難、周期長，例如摻Cr2O3的紅寶石主要採用溫度梯度的法，或者水 熱法生長製備；白寶石(Ci-Al2O3)晶體主要採用提拉法或導向溫梯法製備。這些方法一般 都用燒結爐燒結，燒結時間較長，通常至少需要數小時燒結過程不易控制，易導致元素揮 發；燒結時需要坩堝，易造成高溫燒結時的雜質汙染。Al2O3基晶體中，藍色藍寶石和粉紅藍
3寶石最為希貴，關於其報導也最多。相反，其他寶石晶體，如Ni=Al2O3晶體、Fe = Al2O3晶體報 道很少，其合成工藝方法、摻雜比例、性能用途的報導很少，其二步法生長工藝更是未見報 道。

發明內容
本發明的目的在於提供一種二步法的，在常壓、空氣環境下，不需燒結，以普通工 業粉料作為原料，操作簡單，快速製備大尺寸的Al2O3基晶體的工藝方法。採用浮區法晶體 生長爐的滷素燈作為加熱源加熱Al2O3基料棒坯體，得到多晶料棒，並以此多晶料棒為籽晶 棒和原料棒，快速製備大尺寸Al2O3基晶體。為了解決上述技術問題，本發明是通過以下方 案實現的(1)將Al2O3粉料和不同摻雜量摻雜粉料置於球磨罐中，球磨，烘乾，過篩。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將⑵中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，調節籽晶棒位置， 使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一水平線上；或者將步驟(2)製得素坯棒懸掛於原料杆上作 為料棒，調節料棒位置，使料棒末端與滷素燈處於同一水平線上；(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2720 3060W/h的功率輸出，籽晶棒或料棒 20 30rpm旋轉，料棒以20 30mm/h的速率向下或籽晶棒以20 30mm/h的速率向上移 動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對料棒或籽晶棒進行往復掃描加熱，直至料棒或籽晶棒熔 化，結晶，得到緻密的多晶料棒。(5)將中製得多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸掛 於原料杆上作為原料棒，調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且 接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。 (6)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3200 3400W/h的功率輸出，籽晶棒和原料 棒逆向旋轉，旋轉速度分別為15 20rpm，並且原料棒和籽晶棒分別以3 5mm/h的速率向 下、向上移動通過熔區，進行晶體生長，晶體生長完成後，在1 池時間內將滷素燈輸出功 率降至0，最終Al2O3基晶體包括!^Al2O3晶體或Ni=Al2O3晶體。步驟⑴所述的摻雜粉料為NiO粉料或!^e2O3粉料，NiO粉料的摻雜量為l-6wt%， Fe2O3粉料摻雜量為0. l-2wt%。本發明工藝的明顯優點(1)本工藝採用二步法製備出Ni:Al203，FeiAl2O3晶體，晶體摻雜均勻，尺寸較大， NiiAl2O3晶體尺寸直徑可達6 7mm，長度60 80mm，Fe = Al2O3晶體尺寸直徑可達6 0mm， 長度70 80mm，沒有裂紋、氣泡。粉末χ射線衍射圖，掃描電鏡形貌圖，偏光顯微鏡形貌圖 表明試樣相純，無雜質，小角度晶界較少，表現出良好的晶體質量。(2)本工藝原料為普通工業粉料，對原料要求寬鬆，不需要籽晶，無需坩堝，大大降 低製備成本。(3)本工藝多晶料棒不需要預燒，通過滷素燈加熱得到緻密多晶料棒，避免了摻雜 元素在預燒過程中的揮發，汙染少，耗時短。(4)應用本工藝所生長晶體操作簡單，只需在製備多晶料棒時調節籽晶棒或料棒
4的位置、移動速率和方向，調節單晶爐滷素燈輸出功率；在晶體生長開始前調節好籽晶棒和 原料棒的位置，生長過程中調節旋轉速率、生長速度，單晶爐滷素燈輸出功率。(5)不需要特殊氣氛、壓強環境，只需在常壓、空氣分氛即可完成晶體生長，工藝簡 化。(6)本工藝生長速度快(3 5mm/h)，製備周期短，效率高。(7)所用儀器簡單，僅需要光學浮區法晶體生長爐、球磨機、等靜壓力機。


圖1是實施侈
圖2是實施侈
圖3是實施侈
圖4是實施侈
圖5是實施侈
圖6是實施侈
圖7是實施侈
圖8是實施侈
圖9是實施侈
圖10是實施
圖11是實施
INiiAl2O3晶體粉末的X射線衍射圖譜；
2Ni =Al2O3晶體的橫切面、縱切面拋光後在偏光顯微鏡下的形貌圖
3Ni IAl2O3晶體的形貌4Ni IAl2O3晶體的表面的掃描電鏡形貌5Ni IAl2O3晶體的形貌6FeIAl2O3晶體的形貌7FeIAl2O3晶體粉末的X射線衍射圖譜；
SFe = Al2O3晶體的橫切面、縱切面拋光後在偏光顯微鏡下的形貌圖 9FeIAl2O3晶體的形貌圖； 列l(Fe:Al203晶體的表面的掃描電鏡形貌圖； 列Ili^Al2O3晶體的形貌圖。
具體實施例方式實施例1 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻Iwt % NiO的Ni =Al2O3晶 體。(1)將Al2O3粉料、NiO粉料按質量比99.0 1. 0配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2720W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒以20mm/h的速率向上移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加熱。完 成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱，籽晶棒熔 化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將(4)中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸 掛於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料棒杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸， 並且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3200W/h的功率輸出，加熱。籽晶棒和原料 棒以20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生長。晶體生長完成後，在Ih時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖1為Ni=Al2O3晶體粉末X射線衍射圖譜，可以看出特徵峰尖銳，所制的試樣為純 相，不含第二相，為均一的單相結構。實施例2 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻1. 5wt% NiO的Ni=Al2O3晶體。(1)將Al2O3粉料、NiO粉料按質量比98. 5 1. 5配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入直徑為長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置 於等靜壓下製成素坯棒。(3)將(2)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2750W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒分別以20mm/h的速率向上移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加 熱。完成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱，籽晶 棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸 掛於料棒杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並 且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3220W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在1. 5h時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖2(a)、(b)分別為Ni=Al2O3晶體橫切面、縱切面拋光後在偏光顯微鏡下的形貌 圖，由圖可以看出樣品在偏光顯微鏡下呈黃色，整體光滑，小角度晶界很少，表現出良好的 晶體質量。實施例3 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻2wt% NiO的Ni =Al2O3晶 體。(1)將Al2O3粉料、NiO粉料按質量比98.0 2. 0配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的原料杆上(稱為料棒)，調節料棒位置， 使料棒末端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2750W/h的功率輸出，料棒以25rpm旋轉，料 棒分別以20mm/h的速率向下移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對料棒進行掃描加熱。完成 之後，調節料棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱，籽晶棒熔化，結 晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將(4)中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸掛於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並 且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3220W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 15rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在1. 5h時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖3為Ni=Al2O3晶體形貌圖可以看出，Ni=Al2O3晶體呈金黃色光澤，透亮，有細密 的生長條紋，直徑為5 6mm，長度為50mm，無裂紋、氣泡，表現出良好的色澤、結構均勻性。實施例4 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻3wt% NiO的Ni =Al2O3晶 體。(1)將將Al2O3粉料、NiO粉料按質量比97. 0 3. 0配料，置於球磨罐中球磨，烘 幹,過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的原料杆上(稱為料棒)，調節料棒位置， 使料棒末端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2750W/h的功率輸出，料棒以30rpm旋轉，料 棒分別以20mm/h的速率向下移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對料棒進行掃描加熱。完成 之後，調節料棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱，料棒熔化，結晶。 得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸掛於原料 杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且接觸處 與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3250W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 15rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在池時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖5為Ni=Al2O3晶體表面在掃描電鏡下的形貌圖，由圖可以看出晶體表面均勻光 滑，沒有其他雜質，表現出良好的結構完整性和均勻性。實施例5 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻6wt% NiO的Ni =Al2O3晶 體。(1)將將Al2O3粉料、NiO粉料按質量比94. 0 6. 0配料，置於球磨罐中球磨，烘 幹，過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的原料杆上(稱為料棒)，調節料棒位置， 使料棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2750W/h的功率輸出，料棒以30rpm旋轉，料 棒分別以20mm/h的速率向下移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加熱。完
7成之後，調節料棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱，料棒熔化，結 晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸掛於原料 杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且接觸處 與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3250W/h的功率輸出，籽晶和原料棒以 15rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在池時間內將滷素燈輸出功率降至0。 圖5為Ni Al2O3晶體形貌圖，可以看出，Ni Al2O3晶體呈金黃色光澤，透亮，有細密 的生長條紋，直徑為5 6mm，長度為50mm，無裂紋、氣泡，表現出良好的色澤、結構均勻性。實施例6 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻0. Iwt%狗203的!^e = Al2O3 晶體。(1)將Al2O3粉料、Fe203粉料按質量比99. 9 0. 1配料，置於球磨罐中球磨，烘
幹,過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的原料杆上(稱為料棒)，調節料棒位置， 使料棒末端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以^00W/h的功率輸出，料棒以20rpm旋轉，料 棒分別以20mm/h的速率向下移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對料棒進行掃描加熱。完成 之後，調節料棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱。如此掃描加熱重 復2來回，料棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸掛於原料 杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且接觸處 與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3350W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 15rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在1. 2h時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖6為!^Al2O3晶體形貌圖，由圖可以看出，！^Al2O3晶體整體呈白色，有柳絮狀 藍色物質鑲嵌在其中，有細密的生長條紋，直徑為5 6mm，長度為70mm，無裂紋、氣泡，表現 出良好的色澤、結構均勻性。實施例7 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻0. 3wt% Fii2O3的 ^:Α1203 晶體。(1)將Al2O3粉料、Fe2O3粉料按質量比99. 7 0. 3配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。
(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以^00W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒分別以20mm/h的速率向上移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加 熱。完成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱。如此 掃描加熱重複2來回，籽晶棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將(4)中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸 掛於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並 且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3350W/h的功率輸出，籽晶和原料棒以 20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在1. 時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖6為!^e = Al2O3晶體粉末X射線衍射圖譜，可以看出特徵峰尖銳，所所制的試樣為 純相，不含第二相，為均一的單相結構。實施例8 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻0. 7wt% Fii2O3的 ^:Α1203 晶體。(1)將Al2O3粉料、Fe2O3粉料按質量比99. 3 0. 7配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以^50W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒分別以20mm/h的速率向上移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加 熱。完成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱。如此 掃描加熱重複2個來回，籽晶棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶，一根懸掛 於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且 接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3350W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在池時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖8(a)、(b)分別為!^e = Al2O3晶體縱切面、橫切面拋光後在偏光顯微鏡下的形貌 圖，由圖可以看出樣品在偏光顯微鏡下呈藍色，晶體小角度晶界很少，表現出良好的晶體質量。實施例9 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻Fii2O3 1襯％的Fe = Al2O3 晶體。
(1)將Al2O3粉料、Fe2O3粉料按質量比99.0 1. 0配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以^00W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒分別以20mm/h的速率向上移動，通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加 熱。完成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱。如此 掃描加熱重複2來回，籽晶棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸 掛於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並 且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3400W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在池時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖9為!^e = Al2O3晶體形貌圖，可以看出，FeiAl2O3晶體呈藍色光澤，有細密的生長 條紋，直徑為7 8mm，長度為65mm，無裂紋、氣泡，表現出良好的色澤、結構均勻性。實施例10 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻1. 5wt% Fii2O3的 ^:Α1203 晶體。(1)將Al2O3粉料、Fe2O3粉料按質量比98. 5 1. 5配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將(2)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以^50W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒分別以20mm/h的速率向上移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加 熱。完成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱。如此 掃描加熱重複2來回，籽晶棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸 掛於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並 且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3400W/h的功率輸出，籽晶和原料棒以 20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在池時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖10為!^e = Al2O3晶體表面在掃描電鏡下的形貌圖，由圖可以看出晶體有細密的生 長條文，沒有其他雜質，表現出良好的結構完整性和均勻性。
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實施例11 本發明所使用的晶體生長爐為日本Crystal Systems Corporation生 產的FZ-T-10000-VI-VP0-PC光學浮區法晶體生長爐，生長的為摻2wt% Fe2O3的!^e = Al2O3 晶體。(1)將Al2O3粉料、Fe2O3粉料按質量比98.0 2. 0配料，置於球磨罐中球磨，烘乾， 過蹄。(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜 壓下製成素坯棒。(3)將(2)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上(稱為籽晶棒)，調節籽晶棒位 置，使籽晶棒頂端與滷素燈處於同一在水平線上。(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3000W/h的功率輸出，籽晶棒以30rpm旋轉， 籽晶棒分別以20mm/h的速率向上移動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對籽晶棒進行掃描加 熱。完成之後，調節籽晶棒以相同速率反向通過滷素燈加熱區域，再次進行掃描加熱。如此 掃描加熱重複2來回，籽晶棒熔化，結晶。得到緻密的多晶料棒。(5)將中得到的多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸 掛於原料杆上作為原料棒。調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並 且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線。(6)在空氣氛圍中，四橢球的滷素燈以3400W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒以 20rpm逆向旋轉，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分別向下、上移動通過熔區，完成晶體生 長。晶體生長完成後，在池時間內將滷素燈輸出功率降至0。圖11為!^e = Al2O3晶體形貌圖，可以看出，Fe = Al2O3晶體呈藍色光澤，有細密的生長 稜，直徑為 8mm，長度為60mm，無裂紋、氣泡，表現出良好的色澤、結構均勻性。
1權利要求
1.大尺寸Al2O3基晶體的二步法製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將Al2O3粉料和摻雜粉料置於球磨罐中，球磨，烘乾，過篩；(2)將(1)中製得粉料裝入長條橡膠氣球中壓實，將裝有粉料的橡膠球置於等靜壓下 製成素坯棒；(3)將O)中製得素坯棒固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，調解籽晶棒位置，使籽 晶棒頂端與滷素燈處於同一水平線上；或者將步驟(2)製得素坯棒懸掛於原料杆上作為料 棒，調節料棒位置，使料棒末端與滷素燈處於同一水平線上；(4)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以2720 3060W/h的功率輸出，籽晶棒或料棒以 20 30rpm旋轉，料棒以20 30mm/h的速率向下或籽晶棒以20 30mm/h的速率向上移 動通過滷素燈加熱區域，滷素燈對料棒或籽晶棒進行往復掃描加熱，直至料棒或籽晶棒熔 化，結晶，得到緻密的多晶料棒；(5)將中製得多晶料棒一根固定於單晶爐的籽晶杆上作為籽晶棒，一根懸掛於原 料杆上作為原料棒，調節籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且接觸 處與滷素燈處於同一在水平線上，兩料棒在豎直方向上成一條直線；(6)在空氣氛圍中，單晶爐的滷素燈以3200 3400W/h的功率輸出，籽晶棒和原料棒逆 向旋轉，旋轉速度分別為15 20rpm，並且原料棒和籽晶棒分別以3 5mm/h的速率向下、 向上移動通過熔區，進行晶體生長，晶體生長完成後，在1 池時間內將滷素燈輸出功率 降至0，最終Al2O3基晶體包括！^ = Al2O3晶體或NiiAl2O3晶體。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(1)所述的摻雜粉料為NiO粉料或 Fe2O3粉料，NiO粉料的摻雜量為l_6wt%，Fe2O3粉料摻雜量為0. l_2wt%。
全文摘要
本發明公開了大尺寸Al2O3基晶體的二步法製備方法。將Al2O3粉料和摻雜粉料製成素坯棒，將素坯棒作為籽晶棒或料棒，使籽晶棒頂端或料棒末端與滷素燈處於同一水平線上；在空氣氛圍中，滷素燈以2720～3060W/h的功率輸出，對素坯棒往復掃描加熱，直至素坯棒熔化、結晶，得到多晶料棒；將多晶料棒一根作為籽晶，一根作為原料棒，使原料棒末端與籽晶棒頂端接觸，並且接觸處與滷素燈處於同一在水平線上，在空氣氛圍中，滷素燈以3200～3400W/h的功率輸出，籽晶和原料棒逆向旋轉，原料棒和籽晶棒分別向下、向上移動通過熔區，進行晶體生長。本發明方法得到的晶體無雜質，小角度晶界較少，表現出良好的晶體質量。
文檔編號C30B13/00GK102061522SQ20101053833
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者徐宏, 王越, 範修軍, 蔣毅堅 申請人:北京工業大學