均質摻鎂鈮酸鋰單晶及其製備方法
2023-07-01 02:05:41 1
專利名稱：均質摻鎂鈮酸鋰單晶及其製備方法
技術領域：
本發明屬於單晶生長領域。
鈮酸鋰(LiNbO3)晶體具有優異的壓電，電光特性，高的居裡溫度，較低的介電常數，並且較易生長成大尺寸的單晶體，因此已被廣泛用於製備各種器件。近年來，隨著光波導技術的發展，LiNbO3已被認為最佳的波導基片材料之一。但是在實際應用中，純LiNbO3容易在雷射照射下產生光傷，限制了它在光學方面的應用。1979年仲躋國等報導摻4.6摩爾%MgO的LiNbO3(簡寫MgOLiNbO3)晶體，其抗光傷能力提高近二個數量級(11th International Quantum Electronics eonference June 23-26，631(1980)。從此，MgOLiNbO3作為一種改性的晶體在光學方面得到應用。但是迄今為止，國內外一直採用以純LiNbO3的二元同成份組成外加氧化鎂(MgO)的方法進行配料，用提拉法(Czochralski)從該組成的熔體中生長MgOLiNbO3晶體。這種配料方法忽略了這樣一個事實由於MgO的摻入，MgOLiNbO3的同成份點也隨之改變。P.M.Broienbaugh曾指出在同成份組成的LiNbO3中摻入1摩爾%的MgO會導致熔體中有0.6摩爾%的氧化鋰過剩(J.cryst.Growth 19，45～52(1973))。仲躋國等也發現在氧化鎂摻入濃度高達10摩爾%時，晶體中的氧化鋰濃度降低到40%(矽酸鹽學報，Vol。12(2)，145～48(1984)。B.C.Grabmaier實驗結果還表明氧化鎂的摻入會影響氧化鋰在晶體中的有效分配係數(J.Cryst.Growth，179，682-88(1986))。按通常採用的二元同成份組成配料很難使MgOLiNbO3晶體中各組元的有效分配係數同時達到1，從這種組成的熔體中生長的晶體總是存在著組成不均勻的問題。
本發明的目的是確定MgOLiNbO3的均質組成並用提拉法從其熔體中生長組成均勻、性能優良的MgOLiNbO3單晶。
本發明的主要內容是將光譜純的MgO(99.99%)和Li2CO3(99.99%)及高純的Nb2O5(99.95%)按三元均質組成配料，混合均勻並幹壓成型後在中高溫下煅燒使其固相反應完全，再置於鉑坩堝中熔化，在一定的爐溫下控制籽晶的旋轉和提拉速度即可生長出無生長條紋和包裹體等宏觀缺陷，組成均勻的高質量MgOLiNbO3單晶體。
本發明的詳細內容如下1、將高純Nb2O5(99.95%)原料盛入氧化鋁坩堝中於900℃下焙燒，保溫10小時，以降低原料中的含氟量。
2、按MgOLiNbO3均質組成稱取光譜純的MgO(99.99%)、Li2CO5(99.99%)及經焙燒的Nb2O3(99.95%)，以三元摩爾總量等於100%計算，使其中Li2O/Nb2O5＝(47.2±0.3)/(52.8 0.3)MgO含量為4.0～7.0摩爾%。配製好的原料經球磨混合24小時後，幹壓成φ55×50mm的圓柱形塊料。
3、將塊狀原料放在內襯鉑片的氧化鋁坩堝中，在1150℃下經15小時的煅燒，促使原料中固相反應完全以減少以後在晶體生長過程中氧化鋰的揮發。
4、將煅燒過的原料置於φ55×50mm的鉑坩堝中，在1220～1270℃的爐溫下，用提拉法生長MgOLiNbO3單晶體。其生長工藝參數為生長方向 C軸00.1或X軸11.0或Y軸01.0
提拉速度 1-3毫米/小時旋轉速度 10-25轉/分鐘生長氣氛 大氣冷卻速度 ≤50℃/小時5、生長好的晶體還要作單疇化處理，其工藝條件如下
實施例1分別稱取Nb2O5395.69克，Li2CO398.33克，MgO5.98克，混合均勻後，幹壓成圓柱形塊料，在1150℃下經15小時煅燒後，置於鉑坩堝中用提拉法生長單晶。其生長參數如下生長方向 C軸00.1
提拉速度 2.5毫米/小時旋轉速度 22轉/分鐘生長氣氛 大氣冷卻速度 ≤50℃/小時晶體尺寸 φ30×45mm表2列出了這種晶體頭部和尾部的化學成份分析結果，其中熔體組成由配料組成計算而得表2 晶體的化學成份分析
實施例2稱取Nb2O5393.67克，Li2CO398.82克，MgO8.51克同實施例1的方法生長MgOLiNbO3同成份的晶體，晶體的化學分析結果見表3。
表3 晶體的化學成份分析
實施例3按實施例1、2的工藝條件，配製原料，使其Li2O/Nb2O5＝(47.2±0.3)/(52.8 0.3)(摩爾比)，MgO含量為4.0～7.0摩爾%，選用11.0籽晶生長MgOLiNbO3單晶，按下述工藝生長方向 X軸11.0
提拉速度 1.2毫米/小時旋轉速度 10轉/分鐘冷卻速度 ≤40℃/小時可獲得X軸取向的單晶體。
室溫 60℃/小時 1150℃-1220℃(保溫半小時，加電場0.8～1.2V/cm2，5～8mA/cm2)40℃/小時 1000℃～1050℃(撤電場)40℃/小時室溫採用本發明敘述的配料組成和工藝生長的MgOLiNbO3單晶無生長條紋和包裹體等宏觀缺陷。仲躋國等報導了摻7摩爾%MgO的LiNbO3晶體，其氧化鎂的有效分配係數為1，但晶體中氧化鋰的頭尾含量相差達0.7摩爾%，氧化鋰的有鏟分配係數較大地偏離1(矽酸鹽學報Vol.12(2)(1984));而採用本發明所生長的MgOLiNbO5晶體，MgO和Li2O的有效分配係數同時達到或接近1，因而組成更加均勻。這種晶體晶瑩透明，具有良好的光學均勻性，加工成光波導基片，具有高的工藝一致性，可更有效地提高產品的合格率。
表1 本發明與現有技術的比較
權利要求
1.一種均質摻鎂鈮酸鋰(MgOLiNbO3)單晶，其特徵在於(1)化學成分為組元 摩爾%MgO4.0-7.0Li2O 43.6-45.6Nb2O548.8-51.0(2)三個組元的有效分配係數接近或達到1。
2.一種均質摻鎂鈮鋰(MgOLiNbO3)單晶的生長方法，包括(1)原料預燒(900℃下保溫10小時)(2)配料、幹壓成型(3)塊狀原料固相反應(1150℃經15小時煅燒)(4)生長晶體，條件是爐溫1220℃～1270℃生長方向C軸00.1、X軸11.0、Y軸01.0提拉速度1～3毫米/小時旋轉速度10～25轉/分鐘生長氣氛大氣冷卻速度≤50℃/小時其特徵在於(1)原料的配製採用按三元摩爾總量為100%計算，使其Li2O/Nb2O5＝(47.2±0.3)/(52.8 0.3)，MgO含量為4.0～7.0摩爾%。(2)提拉法生長晶體需採用單疇化處理，條件是爐溫1150℃～1220℃直流電場強度為0.8～1.2伏/釐米極化電流為5～8毫安/釐米2。
全文摘要
均質摻鎂鈮酸鋰(MgOLiNbO
文檔編號C30B29/22GK1048569SQ8910459
公開日1991年1月16日 申請日期1989年7月3日 優先權日1989年7月3日
發明者周燕飛, 王錦昌, 唐連安, 朱泉寶, 譚浩然, 吳躍安 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所