一种区熔法生长硼酸铋锌单晶的方法技术

本发明专利技术涉及一种区熔法生长硼酸铋锌单晶的方法，该方法采用固相法合成粉末纯相，再利用区熔法装置生长晶体，通过用区熔法生长的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7非线性光学晶体，具有生长晶体周期短，易生长，效率高；生长的晶体光学质量高，无宏观缺陷，纯度高，掺杂均匀；无需铂金坩埚，不受环境影响等优点。通过本发明专利技术所述方法获得的Bi2ZnB2O7晶体倍频发生器、上或下频率转换器，光参量振荡器等非线性光学器件用途，本发明专利技术所述方法为制备大尺寸Bi2ZnB2O7非线性光学晶体提供了心的途径。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，该方法采用固相法合成粉末纯相，再利用区熔法装置生长晶体，通过用区熔法生长的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7非线性光学晶体，具有生长晶体周期短，易生长，效率高；生长的晶体光学质量高，无宏观缺陷，纯度高，掺杂均匀；无需铂金坩埚，不受环境影响等优点。通过本专利技术所述方法获得的Bi2ZnB2O7晶体倍频发生器、上或下频率转换器，光参量振荡器等非线性光学器件用途，本专利技术所述方法为制备大尺寸Bi2ZnB2O7非线性光学晶体提供了心的途径。【专利说明】
本专利技术涉及区熔法生长硼酸铋锌单晶(Bi2ZnB2O7)的方法，属于晶体生长领域。
技术介绍
区熔法，生长晶体周期短，效率高。能够提供高光学质量，无宏观缺陷，组分易控制，并且可以提供最大尺寸长度达到厘米级的晶体。应用面广，可用于陶瓷材料、半导体、某些金属化合物等各类晶体的生长，尤其是同成分熔融和熔体反应强烈的晶体。该方法的主要优点是生长晶体无需钼金坩埚，无污染，完全决定于晶体自身液态时表面张力和粘稠度的影响，晶体生长无热应力影响；因此生长的晶体纯度很高，并且掺杂均匀。区熔法对于体系多样，合成难度大，组分复杂，易受外在生长环境影响等方面的晶体研究提供了一种全新的晶体生长方法和研究途径。由于元器件的规格化和集成化，对晶体的尺寸和光学质量提出越来越高的要求，而区熔法在晶体生长方面获得很多应用。非线性光学晶体材料就是一种新型材料，利用非线性光学晶体材料的倍频、混频、光参量振荡和多光子吸收等非线性过程，达到光频率转换的目的，这一类晶体广泛应用于激光频率转换、四波混 频、光束转向、图像放大、光信息处理、光存储、光纤通信、水下通信、激光对抗及核聚变研究等领域。目前发现的得到实际应用的非线性光学晶体，如=KTPdS温相BB0、LB0等。由于KTP和LBO是非同成份熔融化合物，须使用助熔剂法来生长；ΒΒ0存在相变，故低温相BaB2O4也须用助熔剂法生长。这些晶体用助熔剂法生长，生长速度慢，不易获得大尺寸晶体。因此，对于新型非线性光学晶体的探索和研究，不仅注重晶体的光学性能和机械性能，而且越来越重视晶体的制备特性，希望新晶体材料容易制备，最好是同成分熔融化合物，能使用熔体法生长单晶，从而可以获得价格低廉的大尺寸高质量的非线性光学晶体。硼酸铋锌(Bi2ZnB2O7)单晶可生长成具有厘米级的大尺寸，非线性光学效应约为KDP (KH2PO4)的四倍，透光波段290nm至3000nm，莫氏硬度为4-5。该晶体具有制备速度快，操作简单，成本低，所制晶体尺寸大，透光波段宽，激光损伤阈值高，机械性能好，不易碎裂，物化性质稳定，不潮解，易加工、保存等优点，适合于制作非线性光学器件。加拿大的JacquesBarbier 在 Chem.Mater.杂志(Vol 17，3130—3136 (2005))上报道了硼酸铋锌 Bi2ZnB2O7 化合物的存在，报道了该化合物的粉末X射线衍射数据以及粉末中子衍射数据。中科院新疆理化所的潘世烈研究员团队成员采用高温溶液法生长尺寸达到厘米级大小以供物性测试用的Bi2ZnB2O7单晶，并且测试其基本物化性能，包括非线性光学性能，申请的专利“大尺寸硼酸铋锌非线性光学晶体及制备方法和用途”，专利号:200810072858.3，已得到授权。该专利对Bi2ZnB2O7大尺寸单晶的生长，采用熔体中提拉法、泡生法和坩埚移动法进行晶体生长；还以Bi2O3为助溶剂，采用高温溶液法进行晶体生长。但是，有关Bi2ZnB2O7单晶采用区熔法进行晶体生长，还没有申请任何专利；到目前为止，关于区熔法生长厘米级大尺寸高光学质量Bi2ZnB2O7单晶的方法在已知的所有文献中也没有相关报道。
技术实现思路
本专利技术目的在于，提供，该方法采用固相法合成粉末纯相，再利用区熔法装置生长晶体，通过用区熔法生长的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7非线性光学晶体，具有生长晶体周期短，易生长，效率高；生长的晶体光学质量高，无宏观缺陷，纯度高，掺杂均匀；无需钼金坩埚，不受环境影响等优点。通过本专利技术所述方法获得的Bi2ZnB2O7晶体倍频发生器、上或下频率转换器，光参量振荡器等非线性光学器件用途，本专利技术所述方法为制备大尺寸Bi2ZnB2O7非线性光学晶体提供了心的途径。本专利技术所述的，采用固相法合成粉末纯相，再利用区熔法装置生长晶体，具体操作按下列步骤进行:a、粉末纯相合成:将含铋、含锌和含硼化合物称取放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ IOOmmX IOOmm的开口刚玉坩埚中，放入马弗炉中，缓慢升温至550°C，恒温24小时，冷却至室温，取出经第二次研磨之后放入马弗炉中，再升温至650°C，恒温48小时，冷却至室温，取出经研磨得到硼酸铋锌化合物单相多晶粉末，再对该产物进行粉末X射线分析，所得粉末X射线谱图与硼酸铋锌(Bi2ZnB2O7)单晶结构得到的X射线谱图是一致的；b、料棒制备:将步骤a烧制成的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7粉末纯相，并研磨细化后，将粉末加入含浓度为5%的多晶酒精溶液混合，放入橡胶管中并抽真空5-10分钟后，在等静压60-90Mpa的压力下压制成实心橡胶管棒，将实心橡胶管棒烘干后，剪掉外层橡胶管，放置在管式加热炉中再次烧结，温度550-650°C，烧结12-24小时，得到硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒;C、利用区熔法装置初调节:在现有的区熔法装置中心放入一平面镜，通过平面镜成像，上下左右调节的四盏卤素灯，使其成同一水平面，然后再前后调节四盏卤素灯，使其焦点处于水平面的中 心；d, Bi2ZnB2O7多晶棒安装:取两根步骤b中制得的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒，在区熔法装置中，上下对接成一条竖直的直线，空隙2-3mm，使上下两根硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒的缝隙处在灯光的焦点上；e、晶体生长:缓慢调节区熔法装置中的升温速率在20-50°C /min,固定区熔法装置中的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒的转速在10-30r/min，通过聚焦镜的观察，待上下两根硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒的顶端刚好处于熔化状态时，通过上下棒的移动进行缓慢对接，对接成功后，待硼酸铋锌Bi2ZnB2O7晶体形貌稳定，通过控制区熔法装置，使晶体生长速率在2_5mm/h ；f.、降温冷却:生长完成后，缓慢降低区熔法装置的温度至卤素灯全部熄灭，降温时间为0.5-2h，打开通风装置逐步冷却至室温，即可得到硼酸铋锌单晶。步骤a中含铋的化合物为Bi203、Bi (OH) 3或Bi (NO3) 3，含锌的化合物为ZnO、Zn (OH)2, ZnCO3> Zn (NO3) 2 或 Zn (CH3COO) 2.2H20,含硼的化合物为 H3BO3 或 B203。步骤c中卤素灯为150瓦。步骤d的上方Bi2ZnB2O7多晶棒作为籽晶。步骤e的晶体生长过程中，上下两根Bi2ZnB2O7多晶棒的旋转方向相反。本专利技术所述方法与现有工艺相比，本专利技术工艺的明显优点为:本专利技术克服现有Bi2ZnB2O7单晶生长技术中存在的空白，用区熔法生长出大尺寸(厘米级)、无宏观缺陷的Bi2ZnB2O7单晶。本专利技术所使用的料棒只需烧出粉末纯相，再压制成料棒即可；并且籽晶用料棒，大大降低了能耗。本专利技术不需要坩埚，在空气环境下即可生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种区熔法生长硼酸铋锌单晶的方法，其特征在于采用固相法合成粉末纯相，再利用区熔法装置生长晶体，具体操作按下列步骤进行：a、粉末纯相合成：将含铋、含锌和含硼化合物称取放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入马弗炉中，缓慢升温至550℃，恒温24小时，冷却至室温，取出经第二次研磨之后放入马弗炉中，再升温至650℃，恒温48小时，冷却至室温，取出经研磨得到硼酸铋锌化合物单相多晶粉末，再对该产物进行粉末X射线分析，所得粉末X射线谱图与硼酸铋锌(Bi2ZnB2O7)单晶结构得到的X射线谱图是一致的；b、料棒制备：将步骤a烧制成的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7粉末纯相，并研磨细化后，将粉末加入含浓度为5%的多晶酒精溶液混合，放入橡胶管中并抽真空5‑10分钟后，在等静压60‑90Mpa的压力下压制成实心橡胶管棒，将实心橡胶管棒温度80℃，烘干8小时后，剪掉外层橡胶管，放置在管式加热炉中再次烧结，温度550‑650℃，烧结12‑24小时，得到硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒；c、利用区熔法装置初调节：在现有的区熔法装置中心放入一平面镜，通过平面镜成像，上下左右调节的四盏卤素灯，使其成同一水平面，然后再前后调节四盏卤素灯，使其焦点处于水平面的中心；d、Bi2ZnB2O7多晶棒安装：取两根步骤b中制得的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒，在区熔法装置中，上下对接成一条竖直的直线，空隙2‑3mm，使上下两根硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒的缝隙处在灯光的焦点上；e、晶体生长：缓慢调节区熔法装置中的升温速率在20‑50℃/min，固定区熔法装置中的硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒的转速在10‑30r/min，通过聚焦镜的观察，待上下两根硼酸铋锌Bi2ZnB2O7多晶棒的顶端刚好处于熔化状态时，通过上下棒的移动进行缓慢对接，对接成功后，待硼酸铋锌Bi2ZnB2O7晶体形貌稳定，通过控制区熔法装置，使晶体生长速率在2‑5mm/h；f、降温冷却：生长完成后，缓慢降低区熔法装置的温度至卤素灯全部熄灭，降温时间为0.5‑2h，打开通风装置逐步冷却至室温，即可得到硼酸铋锌单晶。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿毅，李弘毅，冉文生，
申请(专利权)人：新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，
类型：发明
国别省市：新疆;65