專利名稱：鎵酸釓晶體及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎵酸釓晶體及其生長方法，鎵酸釓晶體分子式GdGaO3，簡式GGP，屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)是釓鎵石榴石及其生長方法。釓鎵石榴石分子式 Gd3Ga5O12，簡式GGG。GGG晶體屬于立方晶系，光學上各向同性。GGG晶體結(jié)構(gòu)中Gd的原子 半徑較大，并與其他稀土元素原子半徑相近，容易摻入Nd3+、H03+、Tm3+、Er3+等稀土激活離子， 取代Gd3+的格位，屬于同態(tài)取代，構(gòu)效關(guān)系清楚，用作激光晶體，稀土激活離子的激光上能 級沒有明顯的發(fā)光淬滅；另外，分凝系數(shù)高，有利于稀土激活離子的摻入，提高了泵浦效率， 更適用于大功率激光器。采用提拉法生長GGG晶體，原料燒結(jié)溫度1300°C，晶體生長溫度 1750°C ；相均勻性寬，生長速度快；容易平界面生長，不存在雜質(zhì)集中核心和應(yīng)力集中核心， 整個截面能夠得到有效利用，從而能夠制作大尺寸光學元件，如激光元件。

發(fā)明內(nèi)容
GGG晶體屬于立方晶系，一方面對稱程度高，不易摻雜，用作激光元件發(fā)光效率低； 另一方面光學上各向同性，不能用作偏振元件。由于生長溫度高，熔體中的Ga2O3揮發(fā)較大， 組分偏析大，結(jié)構(gòu)缺陷多，結(jié)構(gòu)不完整，晶體質(zhì)量受到影響。因此，本發(fā)明的目的在于提供一 種晶體材料，該晶體材料在具有GGG晶體本身及其生長方法方面的優(yōu)點的前提下，能夠克 服上述GGG晶體本身及其生長方法方面的不足，為此，我們提出一項稱為鎵酸釓晶體及其 生長方法的方案。本發(fā)明之鎵酸釓晶體其特征在于，分子式為GdGaO3，具有畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于 正交晶系。本發(fā)明之鎵酸釓晶體生長方法其特征在于，按照Gd2O3 Ga2O3 =1 1. 01 1. 02 摩爾比過量加入Ga2O3，將氧化釓(Gd2O3)和氧化鎵(Ga2O3)混合并燒結(jié)，得到鎵酸釓多晶料； 采用提拉法生長鎵酸釓晶體，生長溫度為1675 1685°C ；退火。雖然所生長的GGP晶體與GGG晶體成份相同，但是釓、鎵比例不同，在GGP晶體中， Gd Ga = 1 1，而在GGG晶體中Gd Ga = 3 5 ；晶體結(jié)構(gòu)也不同，GGP晶體屬于正交 晶系，而GGG晶體屬于立方晶系。由于這些不同，尤其是晶體結(jié)構(gòu)方面的不同，使得本發(fā)明 之GGP晶體一方面對稱程度低，從而成為一種優(yōu)良的激光基質(zhì)材料，易摻雜，用作激光元件 發(fā)光效率高；另一方面光學上各向異性，使得晶體具有偏振性能。在生長方法方面，本發(fā)明 之GGP晶體生長溫度大幅度低于現(xiàn)有GGG晶體的生長溫度，并且熔體溫度波動較小，熔體中 的Ga2O3揮發(fā)較少，再加上Ga2O3過量加入1 2%摩爾，生長過程組分偏析小，結(jié)構(gòu)缺陷少， 結(jié)構(gòu)完整，晶體質(zhì)量提高。
具體實施例方式本發(fā)明之鎵酸釓晶體分子式為GdGaO3，具有畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系，具 有空間群 Pbnm(62)，晶格常數(shù)a=5.3340A，b=5.5480A, c=7.6210A。
本發(fā)明之鎵酸釓晶體生長方法為，原料是氧化釓(Gd2O3)和氧化鎵(Ga2O3)，純度 均為5N，分別在100°C下干燥10h，以去除水分；按照Gd2O3 Ga2O3 =1 1. 01 1. 02摩 爾比過量加入Ga2O3，混料24h，在液壓機上壓塊成型；在高溫爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為940 960°C，發(fā)生Ga203+Gd203 = 2GdGa03固相反應(yīng)，得到鎵酸釓多晶料。采用提拉法生長鎵酸釓 晶體，中頻感應(yīng)加熱，發(fā)熱體為銥坩堝，將成型的鎵酸釓多晶料置于銥坩堝中；爐內(nèi)抽真空， 充入N2、02混合氣體形成保護氣氛，體積百分含量分別為90 98%、2 10%，保護氣氛中 2 10%的O2用來補因相對于GGG晶體GGP晶體釓鎵比增大所出現(xiàn)的氧的空位；生長溫 度為1675 1685°C，籽晶方向為<100>、<010>、<001>之一，提拉速度1. 3 2mm/h，轉(zhuǎn)速 10 20rpm，執(zhí)行烤晶、下晶、縮頸、放肩工藝實現(xiàn)等徑控制，避免晶體直徑突變造成內(nèi)部應(yīng) 力集中而形成開裂，在生長收尾階段降低拉速為1. Omm/h,避免晶體出現(xiàn)開裂，并緩慢升溫 使晶體直徑逐漸變細。退火過程按降溫區(qū)間確定退火速率1685 1590°C，12 16°C /h ； 1590 1410°C，18 22°C /h ；1410 1160°C，23 27°C /h ；1160 800°C，28 32°C / h ；800 480°C，38 42°C /h ；480°C至室溫，48 52°C /h ；所確定的退火工藝在確保晶體 不開裂的前提下，節(jié)省電能，生長成本降低。下面給出一個實施例原料是氧化釓(Gd2O3)和氧化鎵(Ga2O3)，純度均為5N，分別在100°C下干燥10h，以 去除水分；按照Gd2O3 Ga2O3 = 1 1.01摩爾比過量加入Ga2O3，混料24h，在液壓機上壓塊 成型；在高溫爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950°C，發(fā)生Ga203+Gd203 = 2GdGa03固相反應(yīng)，得到鎵酸釓 多晶料。采用提拉法生長鎵酸釓晶體，中頻感應(yīng)加熱，發(fā)熱體為銥坩堝，將成型的鎵酸釓多晶 料置于銥坩堝中；爐內(nèi)抽真空，充入N2、02混合氣體形成保護氣氛，體積百分含量分別為98%、 2%，保護氣氛中2%的O2用來補因相對于GGG晶體GGP晶體釓鎵比增大所出現(xiàn)的氧的空位； 生長溫度為1680°C，籽晶方向<010>，提拉速度1. 6mm/h，轉(zhuǎn)速15rpm，執(zhí)行烤晶、下晶、縮頸、放 肩工藝實現(xiàn)等徑控制，避免晶體直徑突變造成內(nèi)部應(yīng)力集中而形成開裂，在等徑生長的后期， 生長溫度下降，在生長收尾階段降低拉速為1. Omm/h，避免晶體出現(xiàn)開裂，并緩慢升溫至晶體 的生長溫度，使晶體直徑逐漸變細。退火過程按降溫區(qū)間確定退火速率，詳見下表 所生長的鎵酸釓晶體尺寸為直徑①30mm、長度55mm。
權(quán)利要求
一種鎵酸釓晶體，其特征在于，分子式為GdGaO3，具有畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎵酸釓晶體，其特征在于，空間群Pbnm(62)，晶格常數(shù) a=5.3340A，b=5.5480A，c=7.6210A。
3.一種鎵酸釓晶體生長方法，其特征在于，按照Gd203 Ga203 = 1 1.01 1.02摩 爾比過量加入Ga203，將氧化釓(Gd203)和氧化鎵(Ga203)混合并燒結(jié)，得到鎵酸釓多晶料；采 用提拉法生長鎵酸釓晶體，生長溫度為1675 1685°C ；退火。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生長方法，其特征在于，燒結(jié)溫度為940 960°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生長方法，其特征在于，生長鎵酸釓晶體時爐內(nèi)充入N2、02混 合氣體形成保護氣氛，體積百分含量分別為90 98%、2 10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生長方法，其特征在于，退火過程按降溫區(qū)間確定退火速率 1685 1590°C，12 16°C /h ；1590 1410°C，18 22°C /h ；1410 1160°C，23 27°C / h ；1160 800°C，28 32°C /h ；800 480°C，38 42°C /h ；480°C至室溫，48 52°C /h。
全文摘要
一種鎵酸釓晶體及其生長方法，屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有釓鎵石榴石晶體屬于立方晶系，一方面對稱程度高，不易摻雜，用作激光元件發(fā)光效率低；另一方面光學上各向同性，不能用作偏振元件?，F(xiàn)有釓鎵石榴石晶體生長溫度高，熔體中的Ga2O3揮發(fā)較大，組分偏析大，結(jié)構(gòu)缺陷多，結(jié)構(gòu)不完整，晶體質(zhì)量受到影響。本發(fā)明之鎵酸釓晶體分子式為GdGaO3，具有畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系。其生長方法特征是按照Gd2O3∶Ga2O3＝1∶1.01～1.02摩爾比過量加入Ga2O3，生長溫度為1675～1685℃。所生長的鎵酸釓晶體可以作為激光基質(zhì)材料，也可以用作偏振材料。
文檔編號C30B29/22GK101871126SQ20101019162
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者劉景和, 劉立新, 張學建, 張瑩, 曾繁明, 李岳, 李春, 林海, 董仲偉 申請人:長春理工大學