一种均匀掺杂Fe2+离子的硒化锌单晶制备工艺制造技术

本申请涉及晶体生长技术领域，具体公开了一种均匀掺杂Fe

【技术实现步骤摘要】
一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺


[0001]本专利技术属于晶体生长
，具体涉及一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺。

技术介绍

[0002]Fe
2+
掺杂的II
‑
VI化合物硒化锌(ZnSe)晶体，因其具有宽的可调谐范围、大的吸收和发射截面、宽的红外透过光谱以及低的激发态吸收等光谱特性，被认为是实现高功率、高能、宽调谐中红外激光器的最有前途的激光增益介质材料之一。
[0003]在激光晶体中，掺杂Fe
2+
离子的均匀性是至关重要的，掺杂浓度会直接影响激光器热分布、增益分布等参数，掺杂浓度不均匀会导致激光输出功率、斜效率、光束质量等的恶化，甚至因内部产生的非均匀热应力导致晶体炸裂。因此，制备Fe
2+
掺杂均匀的激光晶体是获得高性能激光器的关键。
[0004]目前，制备Fe
2+
离子掺杂的ZnSe晶体主要有热扩散法、物理气相输运法和熔体法。热扩散法简单易行，但存在掺杂剂分布不均匀(呈指数衰减)、有效掺杂深度极小(＜2mm)、掺杂浓度梯度大等缺点，导致难以获得掺杂均匀的大体积Fe
2+
：ZnSe单晶。由于掺杂元素和ZnSe基体的饱和蒸气压存在很大差别，物理气相输运法也难以精确控制掺杂离子的浓度和均匀性。而熔体法生长ZnSe晶体需要高温高压(1520℃、20
‑
100atm)的密闭生长环境，生长系统复杂、成本高。更重要的是，生长的ZnSe晶体缺陷多(如位错、孪晶、裂纹等)以及因分凝导致轴向掺杂不均匀。
[0005]由此可见，现有的制备Fe
2+
离子的ZnSe单晶技术仍需要改进。因此，提供一种均匀掺杂Fe
2+
离子的ZnSe单晶制备工艺非常必要。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶及其制备工艺。本专利技术提供的Fe
2+
：ZnSe单晶的制备方法，具有掺杂均匀并且晶体光学质量优异的特点，是性能极佳的激光增益介质材料。
[0007]本专利技术第一方面涉及到所述均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶的制备工艺包括步骤：熔区合成、晶体生长。
[0008]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，其工艺步骤还包括：石英坩埚镀碳、降温处理；
[0009]且所述步骤依次为：S1、石英坩埚镀碳；
[0010]S2、熔区合成；
[0011]S3、晶体生长；
[0012]S4、降温处理。
[0013]所述S1石英坩埚镀碳的具体操作方法为：
[0014]首先，依次使用超纯水、丙酮、王水、30％氢氟酸清洗石英合料坩埚/生长坩埚，然
后放入鼓风干燥箱中，在120℃下烘烤12h。使用丙酮清洗的目的是去除附着在坩埚壁的有机杂质，使用王水清洗的目的是去除坩埚内壁的无机杂质，使用氢氟酸清洗的目的是将坩埚内表面腐蚀一层使其表面平整，避免在晶体生长过程中在坩埚表面形核，所述形核是指当液相过冷至实际结晶温度后，经过一段孕育期，在液相内部开始出现许多有序排列的小原子团，称之为晶胚。当晶胚达到某一临界尺寸后，就成为可以稳定存在并自发长大的晶核，这一过程称为形核。若不对坩埚进行这步清洗过程，所生长出的晶体将会含有坩埚中的杂质，导致晶体质量变差，主要体现在所生长晶体为多晶、杂质过多等。
[0015]其次，将清洗干净的合料坩埚/生长坩埚放入镀碳炉中，升温至950
‑
1050℃保温，抽真空至1.0Pa，通入丙酮，保温0.5h，再次抽真空至1.0Pa后，以20℃/h的速率缓慢降温至室温。由于ZnSe在高温下会与石英坩埚发生反应，通过此步在坩埚内壁镀上一层均匀且结合力好的碳膜则会解决这一问题。
[0016]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，所述熔区合成中，将溶剂、Fe
2+
离子化合物和硒化锌多晶料装入合料坩埚中，抽真空至2
‑5×
10
‑5Pa，熔封合料坩埚，后将合料坩埚装入合料炉中，运行摇摆程序合料，制得熔区料。所述合料炉为摇摆炉。
[0017]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，所述溶剂为无水PbCl2或SnSe。无水PbCl2为粉末态，由于PbCl2极易吸水，水的引入会影响晶体生长，因此需要使用无水PbCl2。所述溶剂优选高纯无水PbCl2或高纯SnSe，所述高纯无水PbCl2或高纯SnSe指杂质含量＜10ppm。
[0018]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，所述Fe
2+
离子化合物为FeSe或FeCl2。所述Fe
2+
离子化合物优选高纯FeSe或高纯FeCl2，所述高纯FeSe或高纯FeCl2指杂质含量＜10ppm。
[0019]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，所述的摇摆程序是先将合料炉升温，至高于溶剂熔点20
‑
50℃处，保温4
‑
6h，后升温至生长温度900
‑
1050℃，保温2h后，所述保温为保持生长温度，摇摆合料炉，摇摆速率为0.2
‑
0.6rpm，摇摆时间为24
‑
36h，后停止摇摆，保温2h后，合料炉自然冷却至室温。
[0020]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，所述的升温速率为50
‑
80℃/h，所述升温是将温度升至高于溶剂熔点20
‑
50℃。
[0021]根据本专利技术的一系列描述，所述S2熔区合成的具体操作方法为：
[0022]将称量好的溶剂(PbCl2或SnSe)、Fe
2+
离子化合物(FeCl2、FeSe)和ZnSe多晶料依次装入合料坩埚中，抽真空至2
‑5×
10
‑5Pa，熔封合料坩埚，然后将合料坩埚装入合料炉中进行升温合料。合料过程中的控制条件：升温速率50
‑
80℃/h，合料温度高于溶剂熔点20
‑
50℃，在合料温度下保温4
‑
6h后，开始摇摆。摇摆速率为0.2
‑
0.6rpm，摇摆时间为24
‑
36h，停止摇摆后，保温2h后，断电使合料炉自然冷却至室温，获得熔区料。在生长前对熔区料进行预合料处理，可以使所掺杂的Fe
2+
离子在溶剂中均匀分布，达到预混匀的目的。
[0023]根据本专利技术所述的制备方法的一些优选的实施方式中，所述晶体生长中，将熔区料、ZnSe多晶料装入镀碳的石英坩埚中，抽真空至2
‑5×
10
‑5Pa，熔封石英坩埚，后将石英坩埚装入生长炉中，以40
‑
50℃/h升温，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺，其特征在于，包括步骤：熔区合成、晶体生长。2.根据权利要求1所述一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺，其特征在于，还包括步骤：石英坩埚镀碳、降温处理；所述步骤依次为：S1、石英坩埚镀碳；S2、熔区合成；S3、晶体生长；S4、降温处理。3.根据权利要求1或2所述一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺，其特征在于，所述熔区合成中，将溶剂、Fe
2+
离子化合物和ZnSe多晶料装入合料坩埚中，抽真空至2
‑5×
10
‑5Pa，熔封合料坩埚，后将合料坩埚装入合料炉中，运行摇摆程序合料，制得熔区料。4.根据权利要求3所述一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺，其特征在于，所述溶剂为高纯无水PbCl2或高纯SnSe。5.根据权利要求3所述一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺，其特征在于，所述Fe
2+
离子化合物为高纯FeSe或高纯FeCl2。6.根据权利要求3所述的一种均匀掺杂Fe
2+
离子的硒化锌单晶制备工艺，其特征在于，所述的摇摆程序是先将合料炉升温，至高于溶剂熔点20
‑
50℃处保温4
‑
6h，后升温至生长温度900
‑
1050℃，保温2h后，摇摆合料炉，摇摆速率为0.2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：周伯儒，杨达，南娓娜，李玉贤，张梁，胡章贵，吴以成，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：