[发明专利]一种改善非线性光学晶体ZnGeP2性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善晶体质量的晶体生长方法，具体是涉及一种强磁场下生长非线性光学晶体的方法。属光学晶体制备技术领域。

背景技术

ZnGeP₂晶体是三元II-IV-V₂族黄铜矿类半导体，具有非线性光学系数大和远红外透过波段宽等优点，因此ZnGeP₂晶体被认为是综合性能最好的中红外非线性光学晶体。但是，目前最大的困难是难以获得性能优异的、大尺寸的红外非线性光学晶体。近十几年，将强磁场应用于凝固过程已成为材料电磁处理研究领域中新的研究热点。人们将强磁场应用于材料的制备、加工、处理等过程，与普通电磁场作用不同，它能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子的排列、匹配和迁移等行为，从而实现对材料工艺过程的控制及组织和性能的改善。本发明提出在强磁场下生长非线性光学晶体ZnGeP₂，基于静磁场的磁制动熔体的作用和梯度磁场下减轻流动的效应，来改善晶体的生长质量和性能。

发明内容

本发明一种改善非线性光学晶体ZnGeP₂性能的方法，其特征在于具有如下的过程和步骤：

a.将ZnGeP₂多晶原料密封于抽真空石英管内，然后在强磁场的匀强磁场和上梯度磁场中进行定向凝固生长，ZnGeP₂晶体生长速度为0.5μm/s，定向凝固40h后，得到外观完整、裂纹少的ZnGeP₂单晶体，且晶体的红外透过率和电性能得到显著提高；

b.所述的ZnGeP₂多晶原料需在强磁场6T的匀强区域进行定向凝固生长；

c.或者所述的ZnGeP₂多晶原料需在强磁场的上梯度磁场（磁场中心向磁场强度B方向逐渐减弱，梯度为-145 T/m）中进行定向凝固生长。

本发明一种强磁场下定向凝固生长ZnGeP₂晶体装置，其为传统常用的通用装置，包括有:保温层、硅碳管、超导强磁体、抽拉系统、刚玉管、多晶试样和刚玉片。

附图说明

    图1是本发明强磁场下定向凝固生长ZnGeP₂晶体装置示意图。其中，1保温层、2硅碳管、3超导强磁体、4抽拉系统构成、5刚玉管、6多晶试样、7刚玉片。

    图2是本发明不同磁场条件下生长的ZnGeP₂单晶及晶体中部位置晶片。其中， (a) 无磁场、 (b) 匀强磁场、(c) 上梯度磁场。

    图3 为本发明ZnGeP₂晶体的红外透过光谱。

具体实施方式

将合成好的ZnGeP₂多晶原料抽真空密封，置于改进的单晶生长炉中进行生长，同时在单

晶生长炉外部施加一个纵向强磁场，且要求该磁场能够提供一个稳恒磁场和上梯度磁场（此处磁场强度与梯度磁场积最大）。强磁场下定向凝固装置由保温层1、发热体硅碳管2、超导强磁体3和抽拉系统4构成（见附图1），刚玉管5固定在抽拉系统4上方，通过抽拉装置的定向运动带动刚玉管移动，将产品原料ZnGeP₂密封于抽真空的石英管内，并将其置于刚玉管5内部；多晶试样6也将随着抽拉装置发生定向运动；另外刚玉片7可以有效减少炉温变化幅度，保证样品生长过程中炉温保持稳定。

实施例一

本实施例中，采用6T匀强磁场条件下生长ZnGeP₂晶体，将样品置于超导强磁体中间位置，并将磁场强度调节至6T磁场强度，然后将样品缓慢加热至1070℃，恒温8h后进行定向凝固，拉速为0.5μm/s，定向凝固时间为40h，生长过程中样品始终处于匀强磁场区域。和无磁场下生长的晶体相比，在匀强磁场下生长的晶体外观更亮、裂纹更少（见附图2）；且晶体的红外透过率在波数为1000cm^-1处达到28%，较无磁场下的9%有明显提高（见附图3）；室温电阻率4.44×10⁶ ohm·cm，较无磁场下的7.017×10⁶ ohm·cm减少；晶体质量得到明显提高。

实施例二

本实施例与实施例不同之处在于：在本实施例中，多晶试样位置处于超导强磁体上部11.5cm处，此处磁场强度与梯度磁场积最大。和无磁场下生长的晶体相比，在上梯度磁场下生长的晶体外观更亮、裂纹更少（见附图2）；且晶体的红外透过率在波数为4000 cm^-1和1000cm^-1处分别达到22%和16%，较无磁场下的4%和9%有明显提高（见附图3）；室温电阻率3.394×10⁶ ohm·cm，较无磁场下的7.017×10⁶ ohm·cm减少；晶体质量得到明显提高。