專利名稱：一種大口徑高質(zhì)量磷酸二氫鉀單晶生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長，尤其是涉及大口徑(> 350mm)高質(zhì)量磷酸二氫鉀(KH2P04，簡稱KDP)單晶體的降溫生長。
背景技術(shù)：
KDP晶體是一種優(yōu)良的非線性光學(xué)材料，主要應(yīng)用于激光二、三、四次倍頻，尤其是優(yōu)質(zhì)的大尺寸KDP晶體，目前已被國際上列為激光核聚變頻率轉(zhuǎn)換的唯一實(shí)用材料，也是當(dāng)今國際晶體生長研究的熱點(diǎn)課題。至今國內(nèi)仍延用傳統(tǒng)的降溫方法進(jìn)行大口徑單晶生長。 大口徑KDP晶體降溫法生長是在一個小1200X1600mm，容積為1. 5噸的圓柱形不銹鋼晶體生長缸里進(jìn)行。生長設(shè)備如圖1所示，其中1為晶體生長缸2為缸蓋3為載晶架安裝孔4為操作孔5為缸體的支腳6為觀察窗口 7為燈光照明窗口 8為恒溫水浴缸9為水浴缸觀察窗10為水浴缸的攪拌器11為水浴缸的加熱器12為工程塑料外套。缸蓋3由蓋法蘭2-l、法蘭密封圈2-2組成；生長時(shí)大口徑KDP板狀籽晶14倒放固定在載晶架13上放入晶體生長缸1的飽和KDP生長溶液16里成錐15生長。為了保證生長大口徑(> 350mm)KDP晶體，飽和溶液有足夠的鹽折出量，一般飽和溶液的飽和溫度為60-70°C。
以往的傳統(tǒng)大口徑KDP晶體生長其工藝控制條件為籽晶成錐保持降溫速率為0. 2°C /天，成錐完成后保持降溫速率為0. TC /天，按照"加速_正轉(zhuǎn)_減速_停轉(zhuǎn)_加速_反轉(zhuǎn)_減速_停轉(zhuǎn)"循環(huán)順序，時(shí)間間隔為"10秒-60秒-10秒-15秒-10秒-60秒-10秒-15秒"的模式轉(zhuǎn)動籽晶，保持正反轉(zhuǎn)速率為90-120轉(zhuǎn)/分。在這樣的控制條件下，籽晶成錐保持降溫速率為0. 2°C /天，降溫量太大容易造成過飽和度的累積增大，很容易出現(xiàn)"拉錐"現(xiàn)象，如圖2所示，籽晶成錐的時(shí)間大大，延長KDP晶體的生產(chǎn)周期，而且晶體的各個晶面容易出現(xiàn)白紋，影響成品質(zhì)量。在漫長的晶體透明層生長過程中，不可避免地產(chǎn)生水分蒸發(fā)流失，應(yīng)控制低的降溫速率，降溫速率為0. rc /天也會造成溶液過飽和度的累積，破壞晶體錐面的生長，而且隨著向下生長，晶體生長面增大，不能采用固定的降溫模式，造成晶體尖化，如圖3所示。在晶體透明層生長過程中，各個柱面和錐面生長速度的不同，如圖4所示，晶體的重量中線和晶體的轉(zhuǎn)動中軸線不重合，晶體轉(zhuǎn)動模式中加速、減速和停轉(zhuǎn)時(shí)間隔太短和正反轉(zhuǎn)速率太快，晶體的內(nèi)部產(chǎn)生剪切力，容易開裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用一種新的大口徑高質(zhì)量KDP晶體生長的工藝控制方法，在板狀籽晶開始成錐時(shí)，加過飽和度0. 5°C，即初始生長溫度下降到溶液飽和點(diǎn)下0. 5t:開始成錐，這樣可以有效防止板狀籽晶成雙錐現(xiàn)象，如圖5所示，延長了籽晶閉錐時(shí)間。籽晶成錐過程中，控制降溫速率為0. 05°C /天，防止過飽和度的累積增大和晶體外表面透明層出現(xiàn)白紋。籽晶閉錐后，晶體進(jìn)入透明層生長，由于晶體透明層生長時(shí)間較長，在容積為1. 5噸的圓柱形不銹鋼晶體生長缸生長不可避免地產(chǎn)生水分蒸發(fā)流失，應(yīng)控制低的降溫速率，防止溶液過飽和度的累積，破壞晶體錐面的生長。同時(shí)晶體向下生長，晶體生長面增大，不能采用固定的降溫模式，造成晶體尖化。針對上述情況，在晶體透明層生長過程中采用分階段降溫模式，晶體閉錐至5(TC，保持降溫速率0. 05°C /天；5(TC至35t:，保持降溫速率0. 1°C /天，35t:至室溫，保持降溫速率o. 15t:/天。晶體轉(zhuǎn)動模式按照"加速-正轉(zhuǎn)-減速-停轉(zhuǎn)-加
速_反轉(zhuǎn)_減速_停轉(zhuǎn)"循環(huán)順序，時(shí)間間隔為"20秒-60秒-20秒-20秒-20秒-60秒-20秒-20秒"的模式轉(zhuǎn)動籽晶，保持正反轉(zhuǎn)速率為40-60轉(zhuǎn)/分，延長加速、減速和停轉(zhuǎn)時(shí)間至20秒，降低正反轉(zhuǎn)速率，晶體轉(zhuǎn)動更為平穩(wěn)。 采用新的晶體生長的工藝控制方法，生長出的KDP晶體如圖6所示，晶體成錐角度為45° ，不出現(xiàn)拉錐現(xiàn)象，晶體成錐后柱面和錐面完全沒有出現(xiàn)白紋和添晶，四個錐面生長速度相當(dāng)，不出現(xiàn)大小面，有效地提高KDP晶體質(zhì)量，增加晶體生長成功率。晶體向下生長速度比以往工藝條件下快，縮短晶體生長周期。


圖1為小1200X 1600mm圓柱形不銹鋼晶體生長缸。 圖2為KDP晶體"拉錐"現(xiàn)象 圖3為KDP晶體生長尖化現(xiàn)象。 圖4為KDP晶體生長中形成大小錐面現(xiàn)象。 圖5為KDP晶體成"雙錐"現(xiàn)象。 圖6為采用新的晶體生長的工藝控制方法生長出的KDP晶體。
具體實(shí)施例方式
在尺寸為小1200X1600mm晶體生長缸(2)中，加入750Kg的上海試劑二廠出產(chǎn)的AR級的KDP粉料，再加入1. 5噸經(jīng)過密理博超純過濾系統(tǒng)過濾形成的超純水，其電導(dǎo)率達(dá)18. 2M Q cm，配制成飽和點(diǎn)為61. 0°C的飽和KDP生長溶液后，升溫至75°C ，過熱恒溫24小時(shí)。將一塊尺寸為360X 360X 20mm的板狀KDP籽晶倒扣在載晶架上，在75。C下烘24小時(shí)后，引入KDP飽和溶液中將溫度降至60. 5°C ，設(shè)定降溫速率0. 05°C /天，成錐生長。晶體轉(zhuǎn)動模式按照"加速_正轉(zhuǎn)_減速_停轉(zhuǎn)_加速_反轉(zhuǎn)_減速_停轉(zhuǎn)"循環(huán)順序，時(shí)間間隔為"20秒-60秒-20秒-20秒-20秒-60秒-20秒-20秒"的模式轉(zhuǎn)動籽晶，保持正反轉(zhuǎn)速率為40-60轉(zhuǎn)/分。60天后晶體完整閉錐，生長溫度為57. 5t:，采用分階段降溫模式，57. 5°C至50°C ，保持降溫速率0. 05°C /天；50°C至35°C ，保持降溫速率0. 1°C /天，35°C至室溫，保持降溫速率0. 15°C /天，晶體進(jìn)入透明層生長，如圖6所示，向下生長速度2mm/天。
權(quán)利要求
一種大口徑高質(zhì)量磷酸二氫鉀單晶生長方法，包括如下步驟(1)在籽晶成錐時(shí)，初始生長溫度下降到溶液飽和點(diǎn)下0.5℃開始成錐，控制降溫速率為0.05℃/天至籽晶閉錐；(2)籽晶閉錐后，采用分階段降溫模式，晶體閉錐至50℃，保持降溫速率0.05℃/天；50℃至35℃，保持降溫速率0.1℃/天，35℃至室溫，保持降溫速率0.15℃/天；(3)晶體轉(zhuǎn)動模式按照“加速-正轉(zhuǎn)-減速-停轉(zhuǎn)-加速-反轉(zhuǎn)-減速-停轉(zhuǎn)”循環(huán)順序，時(shí)間間隔為“20秒-60秒-20秒-20秒-20秒-60秒-20秒-20秒”的模式轉(zhuǎn)動籽晶，正反轉(zhuǎn)速率為40-60轉(zhuǎn)/分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大口徑高質(zhì)量磷酸二氫鉀單晶生長方法。該方法包括如下步驟在籽晶成錐時(shí)，初始生長溫度下降到溶液飽和點(diǎn)下0.5℃開始成錐，控制降溫速率為0.05℃/天；籽晶閉錐后，采用分階段降溫模式，晶體閉錐至50℃，保持降溫速率0.05℃/天；50℃至35℃，保持降溫速率0.1℃/天，35℃至室溫，保持降溫速率0.15℃/天；晶體轉(zhuǎn)動模式按照“加速-正轉(zhuǎn)-減速-停轉(zhuǎn)-加速-反轉(zhuǎn)-減速-停轉(zhuǎn)”循環(huán)順序，時(shí)間間隔為“20秒-60秒-20秒-20秒-20秒-60秒-20秒-20秒”的模式轉(zhuǎn)動籽晶，保持正反轉(zhuǎn)速率為40-60轉(zhuǎn)/分。
文檔編號C30B7/08GK101775651SQ200810071779
公開日2010年7月14日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者莊欣欣, 李國輝, 李征東, 林秀欽, 蘇根博, 賀友平 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所