高热导率、高电导率的共掺杂氧化镓晶体激光材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于人工晶体领域，具体涉及一种高热导率、高电导率的共掺杂氧化镓晶体激光材料及其制备方法，特别涉及共掺杂钛和铟的氧化镓晶体及其制备方法，所述共掺杂钛和铟的氧化镓晶体通过在氧化镓中同时掺入钛和铟离子，具有高热导率和高电导率激光特性，适合用作普通的固体激光工作物质、可调谐激光器或超快激光器或自调Q固体激光器的增益介质。

【技术实现步骤摘要】
高热导率、高电导率的共掺杂氧化镓晶体激光材料及其制备方法
本专利技术属于人工晶体领域，具体涉及一种高热导率、高电导率的共掺杂氧化镓晶体激光材料及其制备方法，特别涉及共掺杂钛和铟的氧化镓晶体及其制备方法。
技术介绍
高电导率短脉冲激光目前广泛应用在通讯、科学研究、医学、加工等领域，目前常用的超快及可调谐激光晶体有Ti:Al2O3、Cr:LiSrAlF6、Cr:LiCaAlF6，其中Cr:LiSrAlF6、Cr:LiCaAlF6晶体热导率较低，无法及时传递出激光运转过程中形成的大量的热，会导致激光稳定性降低，甚至会导致调谐激光晶体的损坏，不适合大功率的激光输出，应用受到限制；Ti:Al2O3晶体热导率较高、发射光谱较宽，是综合性能优良的超快激光增益介质，但Ti:Al2O3晶体中，Ti离子半径与Al离子半径相差较大，晶格失配严重，导致晶体生长难度大，晶体质量不高，并且Ti离子分凝系数较小，容易导致离子浓度分布不均匀，且很难获得高掺的Ti:Al2O3晶体。鉴于以上原因，研究开发发射波段覆盖范围宽、物理化学性质稳定、热导率较高的激光晶体具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高热导率、高电导率的共掺杂氧化镓晶体激光材料。本专利技术人通过反复的实验研究，发现通过在氧化镓中同时掺入钛和铟离子，具有高热导率和高电导率激光特性，适合用作普通的固体激光工作物质、可调谐激光器或超快激光器或自调Q固体激光器的增益介质。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以共掺杂氧化镓晶体激光材料：一种钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，化学式为β-(Ga1-x-yTixIny)2O3，其中0.001<x<0.01，0.0001<y<0.001。在一些优选的实施方案中，本专利技术的钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，其中0.005<x<0.01，0.0005<y<0.001。在另一些优选的实施方案中，本专利技术的钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，其中0.005<x<0.01，0.0005<y<0.001。本专利技术发现，钛和铟离子的掺杂量对制得的共掺杂氧化镓晶体的性能影响很大，只有按照本专利技术的化学计量(β-(Ga1-x-yTixIny)2O3，0.001<x<0.01，0.0001<y<0.001)进行配比时，才能得到热导率和电导率性能优异的晶体。第二方面，本专利技术提供本专利技术钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体的制备方法，包括如下步骤：步骤1：按化学计量比将纯度大于99.999％的Ga2O3、Ti2O3和In2O3混合均匀，成型，烧结，得到共掺杂多晶料；步骤2：将烧结好的原料放入生长炉的铱金坩埚中，以纯的β-Ga2O3晶体作为生长用的籽晶，生长方向平行于(100)解理面；步骤3：生长炉抽低真空至炉压<10Pa后，充入Ar气，1380～1420℃加热并恒温0.5～0.8h，再充入CO2气体，继续升温至1800～1900℃，使多晶陶瓷原料完全熔化并沿模具狭缝上升至模具顶端，恒温；步骤4：将籽晶浸入模具上端熔体，待籽晶与熔体充分熔接后，依次进行引晶缩颈、放肩、等径生长的晶体生长过程；步骤5：晶体生长结束后，脱模、退火冷却，即得到目的产物。根据本专利技术的制备方法，步骤1中烧结的工艺条件为空气气氛下，1500～1700℃恒温15～20h。根据本专利技术的制备方法，步骤4中所述的放肩提拉速率由3.5mm/h逐渐增加至8mm/h，等径生长提拉速率为8mm/h。根据本专利技术的制备方法，步骤5中退火冷却的操作为晶体脱模后，先恒温1～2h后，进行原位退火，再在15～20h内冷却至室温。本专利技术的共掺杂氧化镓晶体以β-Ga2O3单晶为基质，掺入钛离子和铟离子，一方面，具有较宽的发射光谱，适合该波段的超快激光输出及宽波段可调谐激光输出；同时，具有较高的热导率，有利于实现高能量的激光输出，可作高效激光的超快激光晶体及可调谐激光增益介质使用。具体实施方式实施例1x＝0.005,y＝0.0005，共掺杂氧化镓晶体的化学式为β-(Ga0.9945Ti0.005In0.0005)2O3使用纯度为99.999％的氧化镓(Ga2O3)和Ti2O3、纯度为99.99％的In2O3作为原料，按照化学计量比称取后，放入混料机中充分混合48小时，然后将混好的原料在100-200℃下真空干燥10小时，将干燥后的原料用液压机压成饼状，放入刚玉坩埚中，在1500℃下烧结20小时，获得共掺杂氧化镓多晶料。将获得的共掺杂氧化镓多晶料置入铱金坩埚内，β-Ga2O3单晶放入铱金籽晶夹具内，晶体生长方向平行于(100)解理面；抽真空至炉内气压为8Pa后，充Ar气，持续升温至1400℃，恒温0.5h，再充入CO2气体，继续升温至1850℃直至原料完全融化并沿模具狭缝上升至模具顶端，恒温1h，保证最后炉内气体配比Ar﹕CO2＝5:1，炉压为1.2bar；缓慢升温10℃，恒温20min后将籽晶浸入模具上端熔体，30min后籽晶与熔体充分熔接，进行高温引晶缩颈操作：放肩阶段提拉速度由3.5mm/h逐渐增加至8mm/h，等径阶段提拉速率为8mm/h；晶体生长结束后，增加提拉速率至15mm/h，直至晶体完全脱离模具，恒温1h进行原位退火，在15h内冷却至室温，获得晶体。将生长得到的晶体沿(100)方向切割成10×4×2.5mm的片状样品，使用PPM测量仪，于高于1.33*10-2Pa的真空容器内，采用脉冲加热方式，热脉冲持续6min，间隔8s，升温速度为0.75K/min，测量时间3h，热导率为50W/m·K。将生长得到的晶体沿(100)方向切割成10×4×2.5mm的片状样品，利用范德堡法，室温下，通过测量晶片的表面载流子浓度和霍尔迁移率来测定晶片的电导率，平均电导率为1.473S/cm。实施例2x＝0.008,y＝0.0006，共掺杂氧化镓晶体的化学式为β-(Ga0.9914Ti0.008In0.0006)2O3同实施例1的方法，按照化学计量比制得共掺杂晶体，热导率为34W/m·K，平均电导率为1.656S/cm。实施例3x＝0.008,y＝0.0005，共掺杂氧化镓晶体的化学式为β-(Ga0.9915Ti0.008In0.0005)2O3同实施例1的方法，按照化学计量比制得共掺杂晶体，热导率为30W/m·K，平均电导率为1.769S/cm。实施例4x＝0.01,y＝0.0005，共掺杂氧化镓晶体的化学式为β-(Ga0.9895Ti0.01In0.0005)2O3同实施例1的方法，按照化学计量比制得共掺杂晶体，热导率为28W/m·K，平均电导率为1.745S/cm。实施例5x＝0.005,y＝0.001，共掺杂氧化镓晶体的化学式为β-(Ga0.994Ti0.005In0.001)2O3同实施例1的方法，按照化学计量比制得共掺杂晶体，热导率为50W/m·K，平均电导率为1.279S/cm。实施例6x＝0.005,y＝0.0008，共掺杂氧化镓晶体的化学式为β-(Ga0.9942Ti0.005In0.0008)2O3同实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，化学式为β‑(Ga1‑x‑yTixIny)2O3，其中0.001

【技术特征摘要】
1.一种钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，化学式为β-(Ga1-x-yTixIny)2O3，其中0.001<x<0.01，0.0001<y<0.001。2.如权利要求1所述的钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，其中0.005<x<0.01，0.0005<y<0.001。3.如权利要求1所述的钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体，其中0.005<x<0.01，0.0005<y<0.001。4.权利要求1至3任一项所述的钛和铟离子共掺杂氧化镓晶体的制备方法，包括如下步骤：步骤1：按化学计量比将纯度大于99.999％的Ga2O3、Ti2O3和In2O3混合均匀，成型，烧结，得到共掺杂多晶料；步骤2：将烧结好的原料放入生长炉的铱金坩埚中，以纯的β-Ga2O3晶体作为生长用的...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈荣存，
申请(专利权)人：南京同溧晶体材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32