过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的提拉法生长方法技术

本发明专利技术公开了一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，晶体分子式可表示为TM2xMgAl2(1-x)O4和TM'yMg1-yAl2O4（TM=Ti3+，Cr3+，Fe3+，Ni3+；TM'=Mn2+，V2+，Co2+，0<x<1，0<y<1），其特征在于，采用火焰法合成的MgAl2O4多晶原料，将其和比例浓度配制的过渡族金属氧化物放入铱坩埚中，将其充分受热熔化，采用镁铝尖晶石晶体或掺杂镁铝尖晶石作为籽晶，用提拉法进行晶体生长。本发明专利技术可获得大尺寸、高质量的晶体，有望用于微细加工、激光医疗、激光化学、激光印刷、军事应用、水下通讯和轴同位素分离等领域。

【技术实现步骤摘要】
过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的提拉法生长方法
本专利技术涉及一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，属于晶体生长

技术介绍
当前微细加工、激光医疗、激光化学、激光印刷、军事应用、水下通讯和轴同位素分离等领域迫切要求固体激光器向短波长发展。掺入过渡金属离子的镁铝尖晶石单晶体可望成为短波长激光材料而引起国际上的广泛重视。在MgAl2O4中掺入过渡金属离子如Cr3+，Ti3+等，由于尖晶石晶场与掺杂离子相互作用而使离子的能态发生分裂变化，使得激活离子在晶场中产生短波长激光输出的能级结构，展示出良好的光谱特性。由于MgAl2O4晶体的熔点高达2130℃，接近铱坩埚的安全使用温度2200℃，一旦温场条件不合适极易导致铱坩埚熔化损坏，并且高温条件下熔体表面的MgO和Al2O3存在非比例挥发，严重影响晶体质量，因此一直以来MgAl2O4及其掺杂晶体的生长方法主要有火焰法、浮区法、微下拉法或熔盐法。2006年和2008年AnisJouinia.etc和P.Lombard.etc分别采用微下拉法生长了Mn:MgAl2O4和Ti:MgAl2O4晶体（参见J.Cryst.Growth293(2006)517和J.Cryst.Growth,311(2009)899）；2004年和2005年AyanaTomita.etc和TokushiSatoa.etc分别采用浮区法生长了Mn:MgAl2O4和Ti:MgAl2O4晶体（参见J.Lumin.109(2004)19和J.Lumin.114(2005)155）；1990年和1997年，l.E.Bausa.etc和N.V.Kuleshova.etc分别采用火焰法生长了Ti:MgAl2O4和Ni:MgAl2O4晶体（参见J.appl.Phys.68(1990)457和J.Lumin.71(1997)265）；1968年，D.L.Wood.etc采用熔盐法获得了Cr:MgAl2O4晶体（参见J.Chem.Phys.48(1968)5255），研究表明这些掺杂的镁铝尖晶石晶体都是很有希望的可见光波段激光材料，但是这些方法生长的晶体质量差，晶体内部有包裹体、内部核芯等缺陷，或者晶体外形为长条状、直径小，难以满足实用化的需要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种过渡族金属离子掺杂的MgAl2O4晶体生长方法，获得光学质量优、尺寸大的短波长激光晶体材料，以达到实用化的要求。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于：1）称取好晶体生长原料放入坩埚中；2）将籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空，设置升温程序进行升温熔料；3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间后进行晶体提拉生长，并在感应炉内采用提拉法生长TM2xMgAl2(1-x)O4和TM'yMg1-yAl2O4；其中：TM代表三价的过渡族金属离子Ti3+、Cr3+、Fe3+或Ni3+；TM'代表二价的过渡金属离子Mn2+、V2+或Co2+，生长的晶体中TM的浓度为x，TM'的浓度为y，x和y的取值范围分别为0<x<1，0<y<1。所述晶体提拉法生长的转速为10~15r/min，拉速为1~2mm/h。所述的晶体生长原料TM2xMgAl2(1-x)O4是采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM2O3粉末，并按TM2O3:MgAl2O4=x/k:（1-x/k）的比例进行称量混合获得；其中：x为TM:MgAl2O4的生长浓度，k为TM在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k的取值为：0<k≦1.5；所述的晶体生长原料TM'yMg1-yAl2O4由采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM'O2粉末，按TM'O2:MgAl2O4=y/k':（1-y/k'）的比例进行称量混合获得；其中y为TM':MgAl2O4的生长浓度，k'为TM'在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k'的取值为：0<k'≦1.5。所述的籽晶为TM:MgAl2O4或MgAl2O4单晶。所述籽晶的方向为晶体[100]、[010]、[001]、[111]方向，以及和[001]方向成0和180°之间的任意方向。所述过渡族金属离子TM2O3或TM'O2，可采用相应的TM和TM'元素的其它化合物代替。本专利技术具体工艺步骤如下：步骤1、以火焰法合成的MgAl2O4多晶和过渡族金属氧化物粉末TM2O3或TM'O2为原料，按TM2O3:MgAl2O4=x/k:(1-x/k)的比例进行称量混合，获得TM:MgAl2O4的晶体生长原料，按TM'O2:MgAl2O4=y/k':(1-y/k')的比例进行称量混合，获得TM':MgAl2O4的晶体生长原料；步骤2、称量好的晶体生长原料放入铱坩埚中，将[100]、[010]、[001]、[111]方向，或[001]方向成0和180°之间的任意方向的MgAl2O4籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空至10Pa以下，设置升温程序进行升温熔料；步骤3、待锅内原料完全熔化后，保持一段时间，以10~15r/min的速度和1~2mm/h的拉速进行晶体生长。本专利技术的有益效果是：本专利技术可获得大尺寸、高质量的晶体，用于微细加工、激光医疗、激光化学、激光印刷、军事应用、水下通讯和轴同位素分离等领域。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。实施例1一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其具体步骤如下：（1）制备Cr3+掺杂浓度为0.05at％镁铝尖晶石单晶，设Cr3+的有效分凝系数为k，取TM=Cr2O3，x＝0.0005，采用MgAl2O4多晶和Cr2O3粉末为原料，按Cr2O3:MgAl2O4=0.0005/k:(1-0.0005/k)的比例进行称量配料；（2）把晶体生长初始原料放入铱坩埚内，将<100>方向的MgAl2O4籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空至10Pa以下，设置升温程序进行升温熔料；（3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间，以10r/min的速度和1.2mm/h的拉速进行晶体生长。获得Cr3+掺杂浓度为0.05%at，等径部分为Ø30mm×70mm的Cr:MgAl2O4晶体，晶体无射、无气泡、无开裂。实施例2一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其具体步骤如下：（1）制备Ti3+掺杂浓度为0.05at％镁铝尖晶石单晶，设Ti3+的有效分凝系数为k，取TM=Ti2O3，x＝0.0005，采用MgAl2O4多晶和Ti2O3粉末为原料，按按Ti2O3:MgAl2O4=0.0005/k:(1-0.0005/k)的比例进行称量配料；（2）把晶体生长初始原料放入铱坩埚内，将<100>方向的MgAl2O4籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空至10Pa以下，设置升温程序进行升温熔料；（3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间，以12r/min的速度和1.5mm/h的拉速进行晶体生长。获得Ti3+掺杂浓度为0.05%at，等径部分为Ø30mm×70mm的Ti:MgAl2O4晶体，晶体无射、无气泡、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于：1）称取好晶体生长原料放入坩埚中；2）将籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空，设置升温程序进行升温熔料；3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间后进行晶体提拉生长，并在感应炉内采用提拉法生长TM2xMgAl2(1‑x)O4和TM'yMg1‑yAl2O4晶体；其中：TM代表三价的过渡族金属离子Ti3+、Cr3+、Fe3+或Ni3+；TM'代表二价的过渡金属离子Mn2+、V2+或Co2+，生长的晶体中TM的浓度为x，TM'的浓度为y，x和y的取值范围分别为0<x<1，0<y<1。

【技术特征摘要】
1.一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于：1)生长晶体晶体的分子式可表示为TM2xMgAl2(1-x)O4，其中TM代表三价的过渡族金属离子Ti3+或Cr3+；生长的晶体中TM的浓度为x，x的取值范围为x＝0.0005；生长原料采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM2O3粉末，并按TM2O3:MgAl2O4＝0.0005/k:(1-0.0005/k)的比例进行称量混合获得；其中：k为TM在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k的取值为：0<k≦1.5；2)称取好晶体生长原料放入坩埚中；3)将<10...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙贵花，张庆礼，殷绍唐，孙敦陆，刘文鹏，罗建乔，王小飞，谷长江，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34