[发明专利]近化学计量比铌酸锂晶体的组分可控定向结晶制备方法

摘要

本发明公开了一种近化学计量比铌酸锂晶体的组分可控定向结晶制备方法，使单晶炉炉膛内依次形成低温区、高温区、温梯区和保温区，使坩埚依次从四个温区通过。具体步骤依次包括，1）预结晶料制备准备两份由Li2CO3和Nb2O5形成的混合料AB，其中混合料A中Li/Nb摩尔比为11，混合料B中Li/Nb摩尔比介于11与58.5/41.5之间；2）装炉铌酸锂籽晶装入坩埚籽晶槽中，预结晶料B放入坩埚肩部，预结晶料A放入坩埚等宽部分；3）化料；4）引晶；5）放肩；6）等宽生长；7）收尾；8）退火冷却。本方法制备N‑SLN晶体，具有尺寸大、品质高、Li含量均匀、能耗少、可重复性高等突出优点，易实现规模化生产。

主权项

近化学计量比铌酸锂晶体的组分可控定向结晶制备方法，其特征在于：本方法采用单晶炉制备，通过调节加热电源功率使单晶炉炉膛内形成四个温区，依次为低温区、高温区、温梯区和保温区，低温区用于使预结晶料预热，高温区用于使预结晶料熔化成熔融态形成熔体，温梯区用于使熔融态预结晶料结晶，保温区用于对形成的晶体缓慢退火；然后水平移动装有预结晶料的坩埚，使坩埚依次从四个温区通过；具体步骤如下，1）预结晶料制备：准备两份由Li2CO3和Nb2O5充分混合形成的混合料A和B，其中混合料A中Li/Nb摩尔比为1:1，混合料B中Li/Nb摩尔比介于1:1与58.5/41.5之间，Li2CO3和Nb2O5纯度均≥99.999%；将两混合料压制成饼，分别装入矩形铂金坩埚中，再在800~1300℃下烧结，使混合料充分发生固相反应或熔化，排出CO2，冷却得到两组与混合料A和B对应的预结晶料A和B；2）装炉：向舟形坩埚中装料，舟形坩埚由前段籽晶槽、中段肩部和尾段等宽部分三段构成，将特定方向的铌酸锂籽晶装入舟形坩埚籽晶槽中，将预结晶料B放入舟形坩埚的肩部，将预结晶料A放入舟形坩埚的等宽部分，并使等宽部分中的预结晶料A在沿坩埚移动方向上每mm内的质量偏差小于2%；然后将舟形坩埚放入炉膛内并使肩部位于高温区，关闭炉门；3）化料：缓慢升高高温区加热功率使坩埚肩部的预结晶料B逐渐熔化，待熔区长度从肩部前端开始算达到所需长度时，再调节高温区加热功率，使熔区的长度保持恒定，且熔体的对流形态也保持稳定，再保温1~5小时；整个化料过程使籽晶不熔化；4）引晶：移动坩埚使籽晶进入高温区，再调节加热功率，使与熔区相接的那部分籽晶熔化3~5mm，在使籽晶其余部分既不生长也不熔化的最佳引晶温度下保持熔晶5~10分钟后，沿水平方向移动坩埚引晶，引晶速率为0.1~0.8mm/h，使籽晶离开高温区进入温梯区，在温梯区进行结晶；5）放肩：籽晶离开温梯区，全部进入保温区，引晶结束，肩部进入温梯区，肩部开始结晶，此时进入放肩阶段；放肩角度为50~100°，放肩速率为0.05~0.8mm/h；6）等宽生长：当坩埚肩部移出温梯区时，放肩结束，此时进入等宽生长阶段；等宽生长速率为0.05~0.5mm/h；7）收尾：待等宽区的预结晶料A全部熔化后，再以0.1~2.0mm/h的速率生长晶体，此时熔区逐渐变短，直至剩余的熔体全部结晶；8）退火冷却：所有通过温梯区完成结晶的晶体顺序进入保温区，在保温区内按照10~50℃/h的速率将晶体冷却至室温，即可打开炉膛取出晶体；将放肩阶段和收尾阶段生长的晶体切除，仅保留等宽阶段生长的晶体；除收尾阶段外，其余生长过程始终保持熔区的长度不变，使结晶速率与化料速率相等；整个铌酸锂晶体生长的气氛为空气气氛。