專利名稱：碘酸鉀單晶的單疇化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為非線性光學(xué)器件材料的多疇碘酸鉀單晶的單疇化方法。
碘酸鉀(KIO3)單晶是一種多功能鐵電材料，它的非線性光學(xué)系數(shù)高于目前廣泛使用的非線性光學(xué)晶體。它的熱穩(wěn)定性極好，適于在不同的溫度條件下使用。因此它在激光技術(shù)和其它光電子技術(shù)領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。碘酸鉀單晶是用水溶液法生長的，該晶體含有孿晶和復(fù)雜的多電疇結(jié)構(gòu)，因此使得它的光學(xué)均勻性質(zhì)不能達(dá)到制作光學(xué)器件的要求，從而影響了它的優(yōu)良性能的發(fā)揮。碘酸鉀單晶和其它鐵電晶體一樣，在制作器件之前需要進(jìn)行單疇化(或極化)處理。
鐵電體的通常的單疇化方法主要是同時(shí)給晶體加熱、加電場，或同時(shí)給晶體加熱、加電場和加壓力。對(duì)碘酸鉀單晶而言，由于它的疇結(jié)構(gòu)復(fù)雜并含有孿晶等因素，使得它的單疇化的條件較為苛刻。1972年G.R.Crane〔J.Appl.Cryst.，5(1972)，350〕曾報(bào)導(dǎo)對(duì)毫米級(jí)的碘酸鉀晶體同時(shí)加熱和加壓力去除孿晶的方法，加溫至212℃以上，加壓力180kg/cm2。上述條件對(duì)大塊有實(shí)用價(jià)值的KIO3晶體是不適用的，因?yàn)榇髩K晶體難于使其受力特別均勻，所以在180kg/cm2壓力下，在高溫212℃以上幾乎所有的大塊碘酸鉀晶體都要破碎。
本發(fā)明的目的是給出一種實(shí)現(xiàn)碘酸鉀單晶疇化的新方法-“溫度振蕩法”。這種方法可使工作電壓和所加壓力降低，因而樣品不易炸裂。該方法簡便，易于操作。
本發(fā)明的要點(diǎn)是(1)將碘酸鉀單晶放入極化爐的硅油中，給晶體同時(shí)加熱，加電場，沿晶體中占主導(dǎo)地位的固有疇界走向所加電場為7-10kv/cm，在72℃相變點(diǎn)附近采用溫度振蕩范圍為65℃-85℃的溫度振蕩法讓晶體的溫度在此范圍內(nèi)往復(fù)多次通過相變點(diǎn)，達(dá)到消除孿晶和實(shí)現(xiàn)單疇化。
(2)給晶體同時(shí)加熱，加電場并施加一定的壓力，在212℃相變點(diǎn)附近進(jìn)行溫度振蕩，溫度振蕩范圍為200℃-235℃，沿晶體x方向施加4-5kv/cm的電場，再沿晶體的y方向施加6-10kg/cm2的壓力，達(dá)到消除孿晶和實(shí)現(xiàn)完全單疇化。
下面結(jié)合碘酸鉀單晶的單疇化實(shí)施例來進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施過程。
為了下面敘述的方便現(xiàn)在給出碘酸鉀單晶方向的表征，碘酸鉀在室溫下的晶體結(jié)構(gòu)屬于三斜晶系，但它的三個(gè)軸長和三個(gè)夾角的值都分別相接近，因此在實(shí)驗(yàn)上可按
三方對(duì)待，進(jìn)而可用六方晶系來表示，晶體的外形是一個(gè)六方棱柱，其外形與坐標(biāo)的選擇如

圖1所示。圖1表示了晶體外形、樣品界面和坐標(biāo)軸之間的關(guān)系。
(1)在相變溫度72℃附近，采用溫度振蕩法消除孿晶和多疇。同時(shí)給晶體加熱和加電場。
碘酸鉀在72℃以上和以下均為鐵電相，而且從一個(gè)鐵電相到另一鐵電相的相轉(zhuǎn)變是可逆的。
施加電場方向的選擇，碘酸鉀具有復(fù)雜的疇結(jié)構(gòu)，但占主導(dǎo)地位的是120°疇，它的互成120°分布的極化分量總是在Z面內(nèi)，但這三個(gè)分量的強(qiáng)度一般都是不相等的。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碘酸鉀的主要疇界走向往往只出現(xiàn)在某一特定的方向上，并形成平行疇界的密集區(qū)域，在偏光顯微鏡下很容易找到這些平行疇界的走向。沿這些疇界方向加電場，使疇界兩側(cè)的極化矢量旋轉(zhuǎn)120°與電場方向重合。這樣作單疇化效果最好。而這一方向通常是接近與晶體的六個(gè)棱柱側(cè)面之一相垂直。
碘酸鉀樣品為六方柱體，放入極化爐的硅油中，給晶體加熱至72℃以上，當(dāng)溫度達(dá)到85℃左右，在樣品的y方向(即樣品固有疇界取向占優(yōu)勢(shì)的方向)加上7-10kv/cm的電場，再以1℃/分的平均速度降溫，當(dāng)溫度通過相變點(diǎn)72℃時(shí)，在觀察窗沿晶體的Z軸方向用望遠(yuǎn)顯微鏡可觀察到孿晶和非電場方向上的電疇開始消失，當(dāng)溫度降至65℃時(shí)，可在65℃-85℃之間用溫度振蕩法多次往復(fù)，每通過相變點(diǎn)一次，孿晶和非電場方向上的電疇就消失一些，直至孿晶和非電場方向上的宏觀電疇完全消失為止，再以小于1℃/分的速度降溫到室溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2給出了單疇化前后碘酸鉀晶體光學(xué)均勻性的比較。該方法的優(yōu)點(diǎn)是單疇化過程中工作溫度較低，樣品不易炸裂，相變溫度最靠近室溫，通過一個(gè)相變溫度，便可直接得到室溫單疇晶體。從圖2中(a)和(b)的比較中可以看出經(jīng)過處理后的晶體的光學(xué)均勻性得到明顯改善。
(2)在相變溫度212℃附近，采用溫度振蕩法消除孿晶和多電疇。同時(shí)給晶體加熱，加電場和壓力。
碘酸鉀晶體在212℃以上和以下分別是順電相和鐵電相，這一從順電相到鐵電相的相變也是可逆的。
將碘酸鉀單晶加工成平行六面體，它的三組界面分別為x、y、z面，x、y、z面分別垂直于x、y、z軸(參看圖1)，將樣品放入極化爐的硅油中，將樣品緩慢加溫至212℃以上，這時(shí)樣品處于順電相，其疇結(jié)構(gòu)已消失。沿晶體的x方向加上4-5kv/cm的電場，在y方向加上6-10kg/cm2的壓力，如圖3所示。圖3給出了加電場和加壓力的方向。加電場后的極化脈沖電流為1.5mA/cm2左右。極化的工作電流一般為15-20μA/cm2。升降溫速度為1℃/分，在200℃-235℃之間，采用溫度振蕩法進(jìn)行處理，直至孿晶和電疇完全消失。然后再以緩慢的降溫速度降至室溫。可獲得單疇晶體，如圖4所示。圖4給出了單疇化處理前后的晶體光學(xué)均勻性的對(duì)比。
在212℃附近實(shí)施單疇化時(shí)，操作過程中要注意以下兩個(gè)問題(1)工作溫度不得超過250℃，在高溫下碘酸鉀有分解的可能，由于碘的析出使晶體變成不透明的暗紅色，而且這一過程是不可逆的。
(2)電壓不能過高，最好不超過6kv/cm，否則樣品有被擊穿而粉碎的可能。
經(jīng)單疇化后的樣品，光學(xué)均勻性得到明顯改善，可達(dá)到制作光學(xué)器件的要求。從圖5可以看出單疇化后的碘酸鉀晶體其透射光中的散射光已全部消失。
說明書附面說明圖1.晶體的坐標(biāo)與外形。x、y、z為坐標(biāo)軸，1為x面，2為y面，3為z面。
圖2.(a)單疇化前碘酸鉀晶體在正交偏光下的顯微照片，放大80倍。
(b)單疇化后碘酸鉀晶體在正交偏光下的顯微照片，放大80倍。
圖3.單疇化裝置，4為硅油，5為電極，6為加壓力系統(tǒng)，7為碘酸鉀晶體樣品。
圖4.(c)單疇化前碘酸鉀晶體在正交偏光下的顯微照片，放大160倍。
(d)單疇化后碘酸鉀晶體在正交偏光下的顯微照片，放大160倍。
圖5.(e)單疇化前碘酸鉀晶體對(duì)光的散射。
(f)單疇化后碘酸鉀晶體對(duì)光的散射。
權(quán)利要求
1.碘酸鉀單晶的單疇化方法，將碘酸鉀樣品放入極化爐的硅油中，采用對(duì)晶體加熱、加電場，或加熱、加電場和加壓力的方法來去除孿晶和實(shí)現(xiàn)單疇化，其特征是(1)采用了在相變點(diǎn)72℃附近的“溫度振蕩法”，并沿晶體中占主導(dǎo)地位的固有疇界走向施加電場。(2)采用了在相變點(diǎn)212℃附近的“溫度振蕩法”，并沿晶體的x方向施加電場和沿y方向施加壓力。
2.按照權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于當(dāng)采用的溫度的振蕩范圍為65℃-85℃，相變溫度為72℃時(shí)，沿晶體中的固有疇界走向給晶體施加7-10kv/cm的電場，讓溫度在相變點(diǎn)附近往復(fù)多次，以達(dá)到逐次消除晶體中的孿晶和多疇結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于當(dāng)采用的溫度的振蕩范圍為200℃-235℃，相變溫度為212℃時(shí)，沿晶體的x方向給晶體施加4-5kv/cm的電場，再沿晶體的y方向給晶體施加6-10kg/cm2的壓力，讓溫度在212℃相變點(diǎn)附近往復(fù)多次，便可得到室溫單疇碘酸鉀晶體。
4.按權(quán)利要求1或2所說方法，其特征是所加7-10kv/cm的電場是沿平行的120°疇界走向，其效果最佳。
全文摘要
本發(fā)明給出了一種碘酸鉀單晶的單疇化和去孿晶的方法。將碘酸鉀晶體放入極化爐的硅油中，給晶體加熱、加電場，或給晶體加熱、加電場和加壓力，在相變點(diǎn)72℃或212℃附近采用“溫度振蕩法”來消除晶體的孿晶和多疇結(jié)構(gòu)(溫度振蕩范圍為65℃-85℃或200℃-235℃)，從而可獲得光學(xué)均勻性好，滿足光學(xué)器件制作要求的單疇碘酸鉀晶體。本發(fā)明方法簡便，易于操作。
文檔編號(hào)C30B33/04GK1059570SQ91109478
公開日1992年3月18日 申請(qǐng)日期1991年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1991年10月10日
發(fā)明者王琇, 張海龍, 李和平, 肖定全, 焦志峰 申請(qǐng)人:四川大學(xué)