一种稀土石榴石单晶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种稀土石榴石单晶的制备方法，包括以下步骤：根据晶体分子式Y

A preparation method of rare earth garnet single crystal

【技术实现步骤摘要】
一种稀土石榴石单晶的制备方法
本专利技术涉及晶体生长
，具体涉及一种稀土石榴石单晶的制备方法。
技术介绍
稀土石榴石晶体是一类具有优异微波、磁光以及磁性的石榴石结构的功能材料，被广泛研究应用于各类光学器件、磁光器件和微波器件，是光通讯领域关键材料。其中钇铁石榴石晶体(Y3Fe5O12)，简称YIG，是这类磁光晶体的代表。通常情况下，为避免反射光对光源的影响，必须使用非互易性光隔离器。YIG是光隔离器的核心材料，其在近红外区域有着很低的光吸收损耗，已成为光通讯不可或缺的高技术材料。生长石榴石单晶的氧化物原料熔点较高，所生长的氧化物晶体存在高温相变，因此一般采用助熔剂法进行生长制备。根据生长方法的不同可分为缓冷法、顶部籽晶法、提拉法、液相外延法等；根据助熔剂的不同又可分为PbO体系助熔剂、Bi2O3体系助熔剂、BaO体系助熔剂以及钼酸盐体系助熔剂。这些助熔剂的使用均大幅降低了生长温度，但由于溶质本身含量较低，随着生长时间的延长，熔体组成会逐渐偏离既定组成。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种稀土石榴石单晶的制备方法，该方法为多层增厚法，保证了单晶生长过程中溶质始终处在高水平浓度，避免了因溶质浓度变低造成单晶组分偏离，产品率高，满足作为磁光材料的条件。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种稀土石榴石单晶的制备方法，采用多层增厚法，包括以下步骤：(1)多晶料制备：根据晶体分子式Y(2.9-x)RexBi0.1Fe5O12，其中x＝0.2～0.4，按照摩尔比分别称量纯度≥99.99％的Y2O3、Bi2O3、Re2O3和Fe2O3原料，并将称量好的各种原料置于玛瑙研钵中进行充分研磨2～3h至均匀，得到混合粉末原料；并将混合粉末原料置于温度为1100-1400℃下预烧12h，然后研磨2h得到YIG多晶料；(2)添加助熔剂：向步骤(1)中得到的YIG多晶料中加入PbO-B2O3复合助熔剂，并置于球磨机内球磨混合12h，并进行压块，得到复合多晶料块；(3)籽晶处理：采用GGG籽晶，将籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声加热清洗20min，然后在浓硫酸与硝酸以1:1混合的混合溶液中煮沸15min，最后再使用去离子水冲洗干净；(4)晶体生长准备：将步骤(1)中的生长原料分批次投入晶体生长炉中，于1050-1150℃下充分融化搅拌12h得到混合熔体；(5)单晶初步生长：然后使晶体生长炉于900～950℃，保温30min使炉体温度稳定，再使处理好的籽晶置于晶体生长炉内在所述混合溶体的表面停留5min，待籽晶预热充分且温场稳定后，将籽晶浸入熔体进行生长，其中籽晶转速为80-120rpm，正反转周期为8s，生长时间为15min，然后缓慢提离液面，以800-1100rpm的转速甩掉残余熔体，得到初晶体，完成第一次生长；(6)再生长：根据理论计算溶质的消耗量，添加多晶料块以达到补充溶质的目的，升高晶体生长炉的温度至980℃以上使多晶料块充分溶解，重复上述步骤，缓慢降温使其再次达到过饱和，进行晶体的二次生长；(7)重复步骤(5)和(6)得到稀土掺杂石榴石晶体；得到继续调节垂直移动装置，使步骤(5)中得到的晶体在所述晶体生长炉内进行原位退火10h，退火温度为500～900℃，以消除热应力，然后使晶体生长炉以20～40℃/h的速率降至室温，晶体自然冷却至室温，得到稀土置换钇铁石榴石；(7)将步骤(6)中得到的所述稀土置换钇铁石榴石置于硝酸溶液中清洗，除去其外部包裹的杂质，得到稀土置换钇铁石榴石晶体。优选的，所述Pb2O3复合助熔剂为Pb2O3-B2O3复合，其中所述助熔剂质量占复合多晶料块的88～95％，B2O3质量占复合多晶料块的1～3％。优选的，所述籽晶的取向为<111>、<110>、<100>或<001>，所述籽晶的截面形状为圆形、长方形或正方形。优选的，所述铂金坩埚的厚度为0.1～0.5mm。优选的，步骤(7)中所述硝酸溶液由浓度为69％的浓硝酸按照体积比HNO3：H2O为1：2.5配置而成。本专利技术的有益效果是：本专利技术的生长方法采用生长-补充溶体-再生长-再补充溶体的循环补充溶体的方式，该生长方法保证了单晶生长过程中溶质始终处在高浓度水平，避免了因溶质浓度变低造成单晶组分偏离的情况发生，克服了现有晶体生长方法中晶体存在严重组分偏离的技术难题；通过多层增厚法制备的稀土石榴石单晶厚度可达121μm以上，满足磁光、微波器件的应用。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步描述。实施例1一种稀土石榴石单晶的制备方法，采用多层增厚法，包括以下步骤：(1)多晶料制备：根据晶体分子式Y(2.9-x)YbxBi0.1Fe5O12，其中x＝0.2，按照摩尔比分别称量纯度≥99.99％的Y2O3、Bi2O3、Yb2O3和Fe2O3原料，即Yb2O3:Bi2O3:Y2O3:Fe2O3＝0.2:0.1:2.7:5称量500g，并将称量好的各种原料置于玛瑙研钵中进行充分研磨2h至均匀，得到混合粉末原料；并将混合粉末原料置于温度为1100℃下预烧12h，然后研磨2h得到YIG多晶料；(2)添加助熔剂：向步骤(1)中得到的YIG多晶料中加入PbO-B2O3复合助熔剂，其中质量比为YIG多晶料：Fe2O3：PbO：B2O3＝1.68:5.44:90.81:2.07，并置于球磨机内球磨混合12h，并进行压块，得到复合多晶料块；(3)籽晶处理：采用1英寸的GGG籽晶，其取向为<111>，截面形状为圆形；将籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声加热清洗20min，然后在浓硫酸与硝酸以1:1混合的混合溶液中煮沸15min，最后再使用去离子水冲洗干净；(4)晶体生长准备：将生长原料分批次投入晶体生长炉中，其中铂金坩埚厚度为0.1mm，于1050℃下充分融化搅拌12h得到混合熔体；(5)单晶初步生长：然后使晶体生长炉于900℃，保温30min使炉体温度稳定，再使处理好的籽晶置于晶体生长炉内在所述混合溶体的表面停留5min，待籽晶预热充分且温场稳定后，将籽晶浸入熔体进行生长，其中籽晶转速为100rpm，正反转周期为8s，生长时间为15min，然后缓慢提离液面，以900rpm的转速甩掉残余熔体，完成第一次生长；(6)再生长：根据理论计算溶质的消耗量，添加多晶料块以达到补充溶质的目的，升高晶体生长炉的温度至980℃以上使多晶料块充分溶解，重复上述步骤，缓慢降温使其再次达到过饱和，进行晶体的二次生长；(7)重复步骤(5)和(6)得到稀土掺杂石榴石晶体；得到继续调节垂直移动装置，使步骤(5)中得到的晶体在所述晶体生长炉内进行原位退火10h，退火温度为500℃，以消除热应力，然后使晶体生长炉以20℃/h的速率降至室温，晶体自然冷却至室温，得到稀土置换钇铁石榴石；(8)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土石榴石单晶的制备方法，其特征在于，采用多层增厚法，包括以下步骤：/n（1）多晶料制备：根据晶体分子式Y

【技术特征摘要】
1.一种稀土石榴石单晶的制备方法，其特征在于，采用多层增厚法，包括以下步骤：
（1）多晶料制备：根据晶体分子式Y（2.9-x）RexBi0.1Fe5O12，其中x=0.2～0.4，按照摩尔比分别称量纯度≥99.99%的Y2O3、Bi2O3、Re2O3和Fe2O3原料，并将称量好的各种原料置于玛瑙研钵中进行充分研磨2-3h至均匀，得到混合粉末原料；并将混合粉末原料置于温度为1100-1400℃下预烧12h，然后研磨2h得到YIG多晶料；
（2）添加助熔剂：向步骤（1）中得到的YIG多晶料中加入PbO复合助熔剂，并置于球磨机内球磨混合12h，并进行压块，得到复合多晶料块；
（3）籽晶处理：采用GGG籽晶，将籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声加热清洗20min，然后在浓硫酸与硝酸以1:1混合的混合溶液中煮沸15min，最后再使用去离子水冲洗干净；
（4）晶体生长准备：将步骤（1）中的生长原料分批次投入晶体生长炉中，于1050-1150℃下充分融化搅拌12h得到混合熔体；
（5）单晶初步生长：然后使晶体生长炉于900~950℃，保温30min使炉体温度稳定，再使处理好的籽晶置于晶体生长炉内在所述混合溶体的表面停留5min，待籽晶预热充分且温场稳定后，将籽晶浸入熔体进行生长，其中籽晶转速为80-120rpm，正反转周期为8s，生长时间为15min，随后提升离开液面，以800-1100rpm的转速甩掉残余熔体，完成第一次生长；
（6）再生长：根据理论计算溶质的消耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐家跃，王昂，申慧，田甜，蒋颖穗，封鹏，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31