專利名稱：真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用改進(jìn)后的坩堝下降法一真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉 (NaI(Tl))單晶體的新工藝技術(shù)，特別是涉及工業(yè)化生長摻鉈碘化鈉單晶體的工藝技術(shù)，屬 于碘化鈉晶體的單晶生長領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
摻鉈碘化鈉(NaI (Tl))單晶體是高能物理領(lǐng)域中常用的閃爍體材料，在目前通用 的生長工藝中，無論提拉法或坩堝下降法，常用的坩堝為氧化鋁坩堝或鉬金坩堝，由于坩堝 中的原料沒與坩堝外部的環(huán)境完全隔絕，在晶體生長過程中，碘化鈉中摻入的碘化鉈在熔 融狀態(tài)下會揮發(fā)出來，所以可能污染環(huán)境并影響工作人員的身體健康。另外，在晶體生長過 程中坩堝里的原料也有可能受坩堝外部環(huán)境污染，影響所生長晶體的性能。因此能否在不 顯著增加成本的前提下，用坩堝下降法生長出既不污染環(huán)境、又能滿足晶體性能要求的摻 鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體，是人們一直關(guān)注而又渴望解決的工藝技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明采用了一種新的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化 鈉(NaI(Tl))單晶體的工藝技術(shù)，步驟包括坩堝處理、原料處理和常規(guī)晶體生長工藝，在坩 堝處理過程中，采用底部為錐形的石英坩堝，在石英坩堝內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)；在原料處理過程中，首先處理所述石英坩堝內(nèi)部未摻入碘化鉈原料的 碘化鈉原料，對所述碘化鈉原料進(jìn)行抽真空和熱處理，在保持真空度優(yōu)于5 X 10_3Pa的狀態(tài) 下逐步升溫到300°C，然后恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于5X ICT3Pa的 真空度，之后停止熱處理并在保持真空度不變的情況下降至室溫；其次，在上述步驟后向所 述石英坩堝內(nèi)部加入摻雜原料碘化鉈，進(jìn)行二次抽真空和熱處理，在真空度達(dá)到3 X IO-3Pa 后，逐步升溫至200°C并恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于3X ICT3Pa的真 空度，在此狀態(tài)下對石英坩堝封口處理。通過上述坩堝處理和原料處理后，可以將摻鉈碘化鈉生長所需的全部材料封閉在 所述的真空石英坩堝中，這樣在后續(xù)高溫下生長摻鉈碘化鈉晶體的過程中，鉈就不會再揮 發(fā)出來污染環(huán)境并危害周圍操作人員的健康，同時由于在原料處理過程中使用了抽真空和 熱處理措施，所以有效的保證甚至提高了所生長晶體的性能。


附圖1為內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的石英坩堝縱切面示 意圖。其中1為石英坩堝，2為石墨坩堝，3為原料，4為石英坩堝口，5為石英坩堝底部縱 切面的錐角。
具體實施例方式結(jié)合圖1詳細(xì)說明本發(fā)明生長摻鉈碘化鈉(NaI (Tl))單晶體的步驟。首先，選用底部為圓錐形的石英坩堝1，底部縱切面的錐角5為90° 120°之間 的任一角度，在錐角5小于90°的時候，雖然也有利于摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體的生 長，但是由于角度較小，會浪費其晶體的生長空間；在錐角5大于120°的時候，不利于摻鉈 碘化鈉(NaI(Tl))的單晶生長，所以錐角5處于90° 120°之間時較適合生長摻鉈碘化 鈉(NaI(Tl))單晶體。該石英坩堝1的內(nèi)部襯有一石墨坩堝2，石墨坩堝2的圓錐形底部完 全貼合于石英坩堝1的圓錐形底部，而石墨坩堝2的側(cè)壁與石英坩堝的側(cè)壁保留一定的空 隙，該空隙為0. 4mm 0. 6mm之間，此空隙的作用是在摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體高溫生 長過程中給石墨坩堝2預(yù)留一定的膨脹余量。內(nèi)襯石墨坩堝2的作用是為了隔絕高溫下石 英坩堝1與摻鉈碘化鈉的熔體，避免石英坩堝1與摻鉈碘化鈉的熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而最后 造成生長的晶體碎裂。具體的說，如果石英坩堝1直接與摻鉈碘化鈉的熔體接觸時會發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在摻鉈碘化鈉熔體結(jié)晶過程中與石英坩堝1的內(nèi)壁粘連，當(dāng)摻鉈碘化鈉晶 體溫度降低時，由于石英材料本身的熱膨脹系數(shù)比摻鉈碘化鈉晶體的熱膨脹系數(shù)小一個數(shù) 量級，而且摻鉈碘化鈉晶體具有易解理的特性，在熱膨脹系數(shù)差異造成的應(yīng)力作用下，即使 結(jié)晶完好的摻鉈碘化鈉晶體也會碎裂。石墨坩堝2與摻鉈碘化鈉的熔體在真空條件下不會 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以有效的解決了晶體碎裂的問題。然后，從石英坩堝口 4向坩堝中加入不包括碘化鉈原料的碘化鈉原料，進(jìn)行抽真 空和熱處理，其作用是去除原料中殘存的可揮發(fā)成份和一些雜質(zhì)，比如排除水蒸氣，水蒸氣 會使晶體生長的原料氧化，進(jìn)而影響晶體的性能。抽真空與熱處理同時進(jìn)行，在保持真空 度優(yōu)于5X10_3Pa的狀態(tài)下逐步升溫到300°C。其作用是避免原料與空氣中的氧發(fā)生氧化 反應(yīng)，之后在300°C處恒溫至少8個小時，恒溫過程中的真空度仍要保持優(yōu)于5X10_3Pa， 以使雜質(zhì)充分揮發(fā)，恒溫8個小時后停止熱處理并降溫至室溫，此時真空度仍然保持優(yōu)于 5 X ICT3Pa。之后，從石英坩堝口 4向坩堝中加入含有碘化鉈的原料，至此生長摻鉈碘化鈉晶 體所需的原料3齊全，進(jìn)行第二次抽真空和熱處理，在真空度達(dá)到3 X IO-3Pa后，逐步升溫至 200°C并恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于3 X ICT3Pa的真空度，在此狀態(tài)下 對石英坩堝口 4進(jìn)行熔封，熔封的方法可采用乙炔火焰加熱后熔封，至此石英坩堝1成為真 空封閉的石英坩堝。最后，將真空封閉的石英坩堝1放入晶體生長爐中，用本技術(shù)領(lǐng)域公知的坩堝下 降法生長摻鉈碘化鈉晶體，直至晶體生長完成后退火、取出晶體。由于石英坩堝1中內(nèi)襯的 石墨坩堝2不和摻鉈碘化鈉的熔體反應(yīng)，所以長成的摻鉈碘化鈉晶體很容易從坩堝中倒出 來，晶體拿取方便。下面給出兩個具體的實施例說明摻鉈碘化鈉晶體的生長過程。實施例一1)將內(nèi)徑90mmX長度240mm，厚度2. 5mm，底部帶120°錐角的石墨坩堝2封到內(nèi) 經(jīng)96mmX長度550mm，底部帶120°錐角的石英坩堝1中；2)將2Kg純度等于或高于99%的NaI粉末原料添入石墨坩堝2里，將坩堝抽真空 至5xlO_3Pa，并保持這個真空度，加熱至300°C，恒溫8個小時后，保持5 X 10_3Pa的真空度冷卻至室溫。3)將4g純度等于或高于99. 99%的TlI粉料添加到石墨坩堝2中，再將坩堝抽真 空至1 X IO-3Pa,并保持這個真空度，加熱至200°C并恒溫8個小時后，將石英坩堝口 4熔封。4)將熔封的石英坩堝1放到晶體生長爐中，置于通水冷卻的支撐桿上，升溫至 750°C使原料充分熔化，再以溫度梯度20-30°C /cm，下降速率0. 5mm/hr，下拉坩堝150mm。5)以10°C /hr的速率降溫至室溫取出晶體，可得直徑達(dá)89mmX長度IOOmm的摻 鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體。實施例二1)將內(nèi)徑51mmX長度240mm，厚度2mm，底部帶90°錐角的石墨坩堝2封到內(nèi)徑 56mmX長度550mm，底部帶90°錐角的石英坩堝1里。 2)將0. SKg純度等于或高于99 %的NaI粉末原料添入石墨坩堝2里，將坩堝抽真 空至5X10_3Pa，并保持這個真空度，加熱至300°C，恒溫8個小時后，保持5X10_3Pa的真空 度冷卻至室溫。3)將1. 6g純度等于或高于99. 99%的TlI粉料添加到石墨坩堝中，再將坩堝抽真 空至3 X IO-3Pa,并保持這個真空度，加熱至200°C并恒溫8個小時后，將石英坩堝口 4熔封。4)將密封的石英坩堝1放到晶體生長爐中，置于通水冷卻的支撐桿上，升溫至 750°C使原料熔化，再以溫度梯度20-30°C /cm，下降速率1. Omm/hr，下拉坩堝150mm。5)以10°C /hr的速率降溫至室溫取出晶體，可得直徑達(dá)50mmX長度IOOmm的摻 鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體。實際，本發(fā)明的實施并不局限于上述舉例。比如，在石英坩堝1中內(nèi)襯的物質(zhì)只要在高溫下不與摻鉈碘化鈉的熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即可解決摻鉈碘化鈉晶體在生長過程中因與石英坩堝1的粘連而造成晶體碎裂的問 題，這類物質(zhì)除了上述實施例所述的石墨坩堝2外，還可以是鉬金坩堝；也可以在石英坩堝 1內(nèi)部不內(nèi)襯任何坩堝，而是在石英坩堝1的內(nèi)壁均勻鍍一層碳膜，這些都可以解決摻鉈碘 化鈉晶體因粘連而發(fā)生碎裂的問題。石英坩堝和內(nèi)襯物質(zhì)的尺寸視所需生長的晶體尺寸而定。
權(quán)利要求
一種真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，步驟包括坩堝處理、原料處理和常規(guī)晶體生長工藝，其特征在于(1)采用底部為錐形的石英坩堝，所述石英坩堝內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)；(2)向所述石英坩堝內(nèi)部加入不含碘化鉈原料的碘化鈉原料，對所述碘化鈉原料進(jìn)行抽真空和熱處理，在保持真空度優(yōu)于5×10-3Pa的狀態(tài)下逐步升溫到300℃，然后恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于5×10-3Pa的真空度，之后停止熱處理并在保持真空度不變的情況下降至室溫；(3)在上述步驟后向所述石英坩堝內(nèi)部加入摻雜原料碘化鉈，并進(jìn)行抽真空和熱處理，在真空度達(dá)到3×10-3Pa后，逐步升溫至200℃并恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于3×10-3Pa的真空度，在此狀態(tài)下對所述石英坩堝進(jìn)行封口處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，其特 征在于所述石英坩堝內(nèi)部襯有的與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)為 石墨坩堝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，其特 征在于所述石英坩堝底部錐形縱切面的錐角為90° 120°之間的任一角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，其特 征在于所述石英坩堝與所述石墨坩堝的內(nèi)壁間距為0. 4mm 0. 6mm之間。
全文摘要
本發(fā)明為真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體的新工藝技術(shù)，屬于碘化鈉晶體的單晶生長領(lǐng)域。在內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)、且底部為錐形的石英坩堝內(nèi)加入碘化鈉原料，在真空度優(yōu)于5×10-3Pa的狀態(tài)下進(jìn)行熱處理，逐步升溫到300℃后恒溫至少8個小時，在真空度保持不變的情況下降至室溫；之后向所述石英坩堝內(nèi)部加入摻雜原料碘化鉈，進(jìn)行二次抽真空和熱處理，直至達(dá)到真空度優(yōu)于3×10-3Pa并且溫度為200℃的狀態(tài)，在此狀態(tài)下恒溫至少8個小時，并對石英坩堝口進(jìn)行封口處理，之后按照本技術(shù)領(lǐng)域公知的下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體。
文檔編號C30B11/00GK101824646SQ20091007894
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者張紅武, 黃朝恩 申請人:北京濱松光子技術(shù)股份有限公司