雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法。以高純K2CO3、Ta2O5、Nb2O5為原料，按照所需晶體組分分別稱量配置KTN多晶基礎(chǔ)料和KTN多晶補(bǔ)給料，多晶料經(jīng)研磨、混勻、壓制成型和燒結(jié)的過程制成；根據(jù)雙坩堝實時給料技術(shù)的要求設(shè)計內(nèi)外雙坩堝溫場系統(tǒng)，并對提拉爐進(jìn)行相應(yīng)改造以滿足實時補(bǔ)料要求；晶體生長過程按照下種、收頸、放肩、轉(zhuǎn)等頸、等頸生長進(jìn)行，晶體生長過程中保持晶體生長速率與補(bǔ)給料的給料速率相同以保證熔體組分穩(wěn)定，生長結(jié)束后將晶體提離液面，緩慢降至室溫，得到KTN單晶。本技術(shù)發(fā)明大大降低了普通熔體提拉法生長KTN單晶過程中由于熔體組分和生長溫度的波動而引起的晶體組分波動，從而大大改善了KTN晶體的均勻性，對該晶體的實際應(yīng)用具有重要意義。
【專利說明】雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功能晶體材料的制備工藝研究領(lǐng)域，涉及在提拉法的基礎(chǔ)上引入雙坩 堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體的組分均勻性，從而改善鉭鈮酸鉀晶體光學(xué)質(zhì)量的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電光效應(yīng)是介質(zhì)在外加電場的作用下折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象，利用晶體材料的電 光效應(yīng)可實現(xiàn)光的相位、強(qiáng)度和傳播方向的調(diào)制，電光調(diào)制由于高效率、快響應(yīng)以及非機(jī)械 性(無慣性）等優(yōu)點，通常用于制作激光調(diào)制器、掃描器和光開關(guān)等器件，廣泛應(yīng)用于激光雷 達(dá)、激光測距、生物醫(yī)學(xué)顯微成像等高精尖科研領(lǐng)域。目前應(yīng)用較為廣泛的電光調(diào)制晶體一 般為一些具有線性電光效應(yīng)的單軸晶，如KDP、LN等，但由于這些晶體的電光系數(shù)較小，調(diào) 制器的尺寸和驅(qū)動電壓難以同時兼顧，通常需要非常高的電壓才能得到實用的調(diào)制效果， 效率太低，無法滿足實際應(yīng)用要求。
[0003] 鉭鈮酸鉀（IOVxNbxO3 ;簡稱KTN)晶體是已知的具有最大二次電光效應(yīng)的晶體，其 二次電光系數(shù)可達(dá)l〇_14m2/V 2量級，是LN晶體的近百倍，因此基于KTN晶體二次電光效應(yīng)的 光學(xué)器件在降低驅(qū)動電壓、減小器件尺寸方面更具優(yōu)勢，更能滿足未來電光器件小型化、集 成化發(fā)展的需要。盡管KTN晶體優(yōu)異的電光性能早已為人所知，但由于生長條件苛刻，難以 得到可實際應(yīng)用的大尺寸、高質(zhì)量單晶，使得該晶體的應(yīng)用一直受到很大限制。
[0004] KTN晶體是鉭酸鉀（KT)和鈮酸鉀（KN)晶體的固熔體混晶，由于晶體的無限固熔 體特征，晶體生長過程中生長溫度和熔體組分的變動都會導(dǎo)致晶體組分的變動，而目前常 用的KTN晶體的制備工藝，不論是熔鹽法還是提拉法，在晶體生長過程中都不可避免的會 產(chǎn)生溫度和熔體組分的變化，進(jìn)而影響到晶體組分中鉭和鈮比例變動，形成生長條紋，光學(xué) 均勻性變差。電光晶體材料的實際應(yīng)用不但要求該晶體需要有高的電光系數(shù)，還要有足夠 的大的尺寸和優(yōu)秀的光學(xué)質(zhì)量。目前限制KTN晶體電光元器件應(yīng)用的一個突出問題就是晶 體的尺寸和均勻性難以兼顧，要想獲得大尺寸KTN晶體就必須增加晶體生長過程的降溫區(qū) 間，而在烙體質(zhì)量不變的情況下，晶體越大則烙體組分變化也越大，二者都會反過來影響晶 體組分波動，形成條紋缺陷，導(dǎo)致光調(diào)制時激光光斑的散射，特別是在光程較長和光束直徑 較大的情況下，難以獲得令人滿意的調(diào)制效果。
[0005] 為了 KTN晶體的實際應(yīng)用，需要找到一種相對簡單而又成熟穩(wěn)定的生長工藝，使 晶體尺寸和均勻性都滿足實際應(yīng)用的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在克服高溫熔體法生長無限固熔體類晶體的缺點，在不使用助熔劑的條 件下，以傳統(tǒng)的熔體提拉法為基礎(chǔ)，引入雙坩堝實時給料技術(shù)，合理設(shè)計晶體生長的工藝參 數(shù)，實現(xiàn)大尺寸、高光學(xué)質(zhì)量的KTN晶體的穩(wěn)定、可重復(fù)生長。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案可以分成如下三個部分： 一、KTN多晶粉料的固相合成 本發(fā)明中合成KTN多晶料的特別之處在于需要合成兩種不同組分的KTN多晶粉料，即 基礎(chǔ)多晶料和補(bǔ)給多晶料（以下分別簡稱基礎(chǔ)料與補(bǔ)給料)。選取高純K2C03、Nb20 5、Ta205為 原料，按照式（1)進(jìn)行固相合成反應(yīng)，合成步驟如下：

【權(quán)利要求】
1. 雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法，其特征包括以下步驟： (1) 、根據(jù)所需KTN晶體組分，分別配置合成晶體所需基礎(chǔ)多晶料和補(bǔ)給多晶料，基礎(chǔ) 料配料比按KT-KN固溶體相圖所示分凝特征選擇，補(bǔ)給料按照與所需KTN晶體組分完全相 同的化學(xué)計量比稱量；兩種多晶料都需混合均勻并壓實成塊進(jìn)行燒結(jié)24~48小時；補(bǔ)給料 需進(jìn)行二次燒結(jié)，并最終研成粒度大于200目的粉末； (2) 、使用莫來石輕質(zhì)保溫磚、剛玉質(zhì)外坩堝、氧化鋯保溫砂和白金坩堝設(shè)計溫場系統(tǒng)， 其中白金坩堝分為內(nèi)坩堝和外坩堝兩部分，內(nèi)坩堝為一圓筒，無底且設(shè)懸掛勾，外坩堝為實 底圓筒，內(nèi)外坩堝同心放置且上沿與感應(yīng)線圈上端同高； (3) 、實時給料系統(tǒng)由晶體上稱重、自動補(bǔ)料器和電腦控制三部分組成，晶體生長過程 中，電腦控制系統(tǒng)根據(jù)上稱重系統(tǒng)得到的晶體生長速率向自動補(bǔ)料器發(fā)出補(bǔ)料指令，補(bǔ)料 速率和晶體生長速率相同； (4) 、在感應(yīng)式單晶提拉爐中生長KTN晶體，將步驟（1)所制備的基礎(chǔ)料和補(bǔ)給料分別 置于白金坩堝中和自動給料器內(nèi)，按照傳統(tǒng)提拉法生長晶體過程，經(jīng)升溫化料、恒溫過熱、 下種、收頸、放肩、等徑生長、提出晶體、降至室溫，得到KTN晶體；自動給料器在收頸結(jié)束后 開啟，提出晶體如關(guān)閉。
2. 如權(quán)利要求1所述雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法，其 特征是，所述步驟（1)基礎(chǔ)料與補(bǔ)給料配料比中K2C0 3 :(Nb205+Ta205)分別按照摩爾比 (1. 2?1. 3) :1 和 1:1 稱量。
3. 如權(quán)利要求1所述雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法，其特征 是，所述步驟（2)中內(nèi)坩堝、外坩堝、感應(yīng)線圈的直徑比優(yōu)選1:2:3 ;內(nèi)坩堝與外坩堝高度 t匕、厚度比為1: (1.5?2.5)(優(yōu)選1:2)。
4. 如權(quán)利要求1所述雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法，其特征 是，所述步驟（3)中補(bǔ)料管為孔徑0.5~1_的剛玉中空管，補(bǔ)料管末端置于內(nèi)外坩堝熔體液 面上方3~5 Cm處；在設(shè)備上稱重系統(tǒng)稱重精度不低于0. 01克。
5. 如權(quán)利要求1所述雙坩堝實時給料技術(shù)改善鉭鈮酸鉀晶體均勻性的方法，其特征 是，所述步驟（4)設(shè)備及溫場條件優(yōu)選參數(shù)為：環(huán)境溫度控制在25土 1°C，設(shè)備控溫誤差為 ±0. 1°C，提拉桿提拉誤差不高于lum/h，晶轉(zhuǎn)為1~25轉(zhuǎn)/分，生長氣氛為大氣氣氛。
【文檔編號】C30B15/12GK104294353SQ201310299437
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月19日
【發(fā)明者】王旭平, 劉冰, 張園園 申請人:山東省科學(xué)院新材料研究所