[发明专利]五氧化三钛晶体的坩埚下降法生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶体的坩埚下降法生长技术，即用坩埚下降法生长五氧化三钛晶体，属于晶体生长领域。

背景技术

五氧化三钛(Ti₃O₅)晶体属于斜方晶系，密度～4.60g/cm3，熔点～1760℃。Ti₃O₅是钛的低价系列氧化物中相对稳定的化合物，具有类金属特性，在常温下具有很高的导电性，与贵金属电极材料相比，它价格低廉、耐酸碱腐蚀性强，因此可以用作电极材料来替代贵金属。Ti₃O₅是一种非化学计量化合物，O/Ti可在1.66-1.70之间变化，其内部含有大量的氧空位，准自由电子浓度较高，其电阻可随气氛的改变而改变，因此是一种潜在的氧敏材料。

目前，Ti₃O₅作为二氧化钛(TiO₂)涂层的蒸镀靶材广泛应用在光电子器件的制造中，如显示技术、成像技术、光输出和光集成的器件等。TiO₂膜层在可见光和近红外光谱范围内具有很高的折射率、良好的稳定性和牢固性。前期，人们主要用TiO₂膜料来蒸镀TiO₂涂层，但TiO₂膜料在加热和预熔的过程中会释放大量的氧气，即使进行充分的预热，溅射还是不可避免的，并且很难得到膜厚均一、折射率稳定的膜层。随着研究的深入，人们发现TiO₂膜料预熔后其化学组成约为Ti₃O₅，从而会导致大量氧气的放出；并且，如果TiO₂膜料预熔的不充分，其熔化物成分的不一致性则会导致很难得到稳定光学特征的膜层。而如果用Ti₃O₅作为蒸镀材料则可以避免TiO₂膜料的缺点，降低放气量，避免溅射，得到膜厚均一、折射率稳定的高性能膜层。现在，Ti₃O₅膜料已逐步取代TiO₂膜料而在高折射率膜料中占据主要的地位。

目前，用于制备TiO₂涂层的Ti₃O₅膜料大部分是多晶陶瓷。多晶陶瓷Ti₃O₅虽然制备容易，成本低廉，但在制备过程中容易引入杂质，形成大量气孔，并且难以保证成分和结构的均匀性，而这些因素对制备高质量的TiO₂薄膜起着决定性的作用。因此，为了满足光、电应用对高质量Ti₃O₅材料的需求，Ti₃O₅晶体的制备也就成了当务之急。相比较于多晶陶瓷，Ti₃O₅晶体结晶性更好，密度更大；此外，生长过程中利用晶体自身排杂的特性，还可以提高材料的纯度。Ti₃O₅晶体已经作为一种高折射率膜料被广泛应用，但关于Ti₃O₅晶体制备的研究报道则几乎没有，因此，非常需要一种能够以较低成本生长Ti₃O₅晶体的方法，以便有利地进行工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作方法简单、生长成本低廉的Ti₃O₅晶体坩埚下降法生长方法，以实现该晶体的产业化制备。

本发明提供一种生长五氧化三钛晶体的坩埚下降法生长方法，包括以下步骤：

(1)将原料TiO₂和Ti按Ti₃O₅配料，混合均匀、压块；

(2)将步骤(1)得到压块的原料装入坩埚中，坩埚转移至高温下降炉内，对整个系统升温并抽真空至10^-3-10^-4Pa，当炉温达到1400-1700℃时充入惰性保护气体，继续升温至设定温度，所述设定温度在1800-1900℃的范围内；

(3)炉温达到设定温度后，保温3-6小时，使原料熔化充分，晶体生长的固液界面温度梯度在20-60℃/cm的范围内，坩埚下降速率控制在0.1-5.0mm/h之间；

(4)待晶体生长结束后，在生长炉内适当位置保温10-24小时，然后以25-80℃/h的速度将炉温降至室温，对所生长的晶体进行退火处理。