大尺寸Ａｌ２Ｏ３基晶体的二步法制备方法技术

本发明专利技术公开了大尺寸Ａｌ２Ｏ３基晶体的二步法制备方法。将Ａｌ２Ｏ３粉料和掺杂粉料制成素坯棒，将素坯棒作为籽晶棒或料棒，使籽晶棒顶端或料棒末端与卤素灯处于同一水平线上；在空气氛围中，卤素灯以２７２０～３０６０Ｗ／ｈ的功率输出，对素坯棒往复扫描加热，直至素坯棒熔化、结晶，得到多晶料棒；将多晶料棒一根作为籽晶，一根作为原料棒，使原料棒末端与籽晶棒顶端接触，并且接触处与卤素灯处于同一在水平线上，在空气氛围中，卤素灯以３２００～３４００Ｗ／ｈ的功率输出，籽晶和原料棒逆向旋转，原料棒和籽晶棒分别向下、向上移动通过熔区，进行晶体生长。本发明专利技术方法得到的晶体无杂质，小角度晶界较少，表现出良好的晶体质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于晶体生长领域，具体涉及Al2O3基晶体的二步法制备方法。
技术介绍
刚玉由于具有高强度、高熔点、化学惰性和多种光学特性等物理性能，因此应用十 分广泛。不掺杂的α -Al2O3的称为白宝石，掺Cr2O3的Al2O3晶体呈红色，通常称之为红宝石， 红宝石以外的其他颜色的刚玉通称为(彩色)蓝宝石，如无色蓝宝石，蓝色蓝宝石，黄色蓝 宝石，粉红蓝宝石，绿色蓝宝石，橙色蓝宝石，紫色蓝宝石。掺杂不同元素的Al2O3晶体呈现 不同的颜色，由于其独特的物理化学性能在工业、装饰、医疗器械、光学等领域发挥日益重 要的作用。作为装饰宝石，掺上不同元素可制成名贵的天然红宝石、蓝宝石以及其他颜色的 宝石和星芒宝石的仿制品；作为超硬材料广泛用作钟表工业耐磨轴承和永不磨损的表蒙； 作为稳定的惰性材料可用作耐磨蚀的化学器皿、外延基片和医用植入材料；作为光学介质， 宝石是性能优良的红外窗口材料；作为激光材料，钛宝石则是激光晶体中的一颗新星，它是 目前最好的可调谐激光晶体。白宝石(a-Al2O3)晶体具有一系列独特而优良的物理化学性 能，特别是0. 2 0. 5 μ m波段有良好透光性，一直广泛应用于红外军事装备、卫星和空间技 术的仪表及高功率激光器(如HF、DF、CO2激光器)的窗口材料，近来又成为重力波探测器 中光学系统的首先材料。光学浮区法是近年来得到迅速发展的一种晶体生长方法，其应用范围也越来越广 泛。可用于生长钒酸盐激光晶体，铝酸盐激光晶体，以及超导等多种功能晶体。与提拉法和 坩埚下降法等常规晶体生长方法相比，光学浮区法最独特的地方在于实现了无坩埚生长， 这就避免了原料与坩埚的污染，因此对于易污染的材料生长提供了一种有效途径。浮区法 属于熔体生长一种方法，在生长的晶体和多晶棒之间形成一段熔区，熔区的稳定是靠表面 张力和重力的平衡来维持的。熔区自上而下，或者自下而上移动，以完成结晶过程。浮区法 生长晶体的加热源有RF感应加热，放电，电弧，电阻加热，光聚焦。光聚焦作为加热源的晶 体生长方法称为光学浮区法，它是将光源发出的光，经过聚焦作为热源，送到被加热的多晶 样品上，待多晶熔化以后，生长晶体。浮区法浮区法具有加热温度不受坩埚熔点限制，并且 生长速度较快等优点，被广泛应用于高温难熔氧化物和金属间化合物生长。二步法(Two Zone Passage)属于光学浮区法(Optical Floating Zone Method) 生长晶体的一种改良方法，主要见于高熔点的硼化物晶体的生长。在二步法中，第一步目的 在于得到致密的料棒，第二步在于得到高质量的晶体。(TanakaJ. ；Sato,Α. ；Takenouchi, S. ；Kamiya,K. ；Numazawa,Τ· ,Floating—zone crystal growth of Nb—doped YB66 for soft X-ray monochromator use. Journal of Crystal Growth 2005,275(1-2),1889-1893.)。 Al2O3基晶体一般制备困难、周期长，例如掺Cr2O3的红宝石主要采用温度梯度的法，或者水 热法生长制备；白宝石(Ci-Al2O3)晶体主要采用提拉法或导向温梯法制备。这些方法一般 都用烧结炉烧结，烧结时间较长，通常至少需要数小时烧结过程不易控制，易导致元素挥 发；烧结时需要坩埚，易造成高温烧结时的杂质污染。Al2O3基晶体中，蓝色蓝宝石和粉红蓝3宝石最为希贵，关于其报道也最多。相反，其他宝石晶体，如Ni=Al2O3晶体、Fe = Al2O3晶体报 道很少，其合成工艺方法、掺杂比例、性能用途的报道很少，其二步法生长工艺更是未见报 道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种二步法的，在常压、空气环境下，不需烧结，以普通工 业粉料作为原料，操作简单，快速制备大尺寸的Al2O3基晶体的工艺方法。采用浮区法晶体 生长炉的卤素灯作为加热源加热Al2O3基料棒坯体，得到多晶料棒，并以此多晶料棒为籽晶 棒和原料棒，快速制备大尺寸Al2O3基晶体。为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下方 案实现的(1)将Al2O3粉料和不同掺杂量掺杂粉料置于球磨罐中，球磨，烘干，过筛。(2)将(1)中制得粉料装入长条橡胶气球中压实，将装有粉料的橡胶球置于等静 压下制成素坯棒。(3)将⑵中制得素坯棒固定于单晶炉的籽晶杆上作为籽晶棒，调节籽晶棒位置， 使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一水平线上；或者将步骤(2)制得素坯棒悬挂于原料杆上作 为料棒，调节料棒位置，使料棒末端与卤素灯处于同一水平线上；(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2720 3060W/h的功率输出，籽晶棒或料棒 20 30rpm旋转，料棒以20 30mm/h的速率向下或籽晶棒以20 30mm/h的速率向上移 动通过卤素灯加热区域，卤素灯对料棒或籽晶棒进行往复扫描加热，直至料棒或籽晶棒熔 化，结晶，得到致密的多晶料棒。(5)将中制得多晶料棒一根固定于单晶炉的籽晶杆上作为籽晶棒，一根悬挂 于原料杆上作为原料棒，调节籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端与籽晶棒顶端接触，并且 接触处与卤素灯处于同一在水平线上，两料棒在竖直方向上成一条直线。 (6)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以3200 3400W/h的功率输出，籽晶棒和原料 棒逆向旋转，旋转速度分别为15 20rpm，并且原料棒和籽晶棒分别以3 5mm/h的速率向 下、向上移动通过熔区，进行晶体生长，晶体生长完成后，在1 池时间内将卤素灯输出功 率降至0，最终Al2O3基晶体包括!^Al2O3晶体或Ni=Al2O3晶体。步骤⑴所述的掺杂粉料为NiO粉料或!^e2O3粉料，NiO粉料的掺杂量为l-6wt%， Fe2O3粉料掺杂量为0. l-2wt%。本专利技术工艺的明显优点(1)本工艺采用二步法制备出Ni:Al203，FeiAl2O3晶体，晶体掺杂均勻，尺寸较大， NiiAl2O3晶体尺寸直径可达6 7mm，长度60 80mm，Fe = Al2O3晶体尺寸直径可达6 0mm， 长度70 80mm，没有裂纹、气泡。粉末χ射线衍射图，扫描电镜形貌图，偏光显微镜形貌图 表明试样相纯，无杂质，小角度晶界较少，表现出良好的晶体质量。(2)本工艺原料为普通工业粉料，对原料要求宽松，不需要籽晶，无需坩埚，大大降 低制备成本。(3)本工艺多晶料棒不需要预烧，通过卤素灯加热得到致密多晶料棒，避免了掺杂 元素在预烧过程中的挥发，污染少，耗时短。(4)应用本工艺所生长晶体操作简单，只需在制备多晶料棒时调节籽晶棒或料棒4的位置、移动速率和方向，调节单晶炉卤素灯输出功率；在晶体生长开始前调节好籽晶棒和 原料棒的位置，生长过程中调节旋转速率、生长速度，单晶炉卤素灯输出功率。(5)不需要特殊气氛、压强环境，只需在常压、空气分氛即可完成晶体生长，工艺简 化。(6)本工艺生长速度快(3 5mm/h)，制备周期短，效率高。(7)所用仪器简单，仅需要光学浮区法晶体生长炉、球磨机、等静压力机。附图说明图1是实施侈图2是实施侈图3是实施侈图4是实施侈图5是实施侈图6是实施侈图7是实施侈图8是实施侈图9是实施侈图10是实施图11是实施INiiAl2O3晶体粉末的X射线衍本文档来自技高网...

【技术保护点】
大尺寸Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］基晶体的二步法制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（１）将Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］粉料和掺杂粉料置于球磨罐中，球磨，烘干，过筛；（２）将（１）中制得粉料装入长条橡胶气球中压实，将装有粉料的橡胶球置于等静压下制成素坯棒；（３）将（２）中制得素坯棒固定于单晶炉的籽晶杆上作为籽晶棒，调解籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一水平线上；或者将步骤（２）制得素坯棒悬挂于原料杆上作为料棒，调节料棒位置，使料棒末端与卤素灯处于同一水平线上；（４）在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以２７２０～３０６０Ｗ／ｈ的功率输出，籽晶棒或料棒以２０～３０ｒｐｍ旋转，料棒以２０～３０ｍｍ／ｈ的速率向下或籽晶棒以２０～３０ｍｍ／ｈ的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对料棒或籽晶棒进行往复扫描加热，直至料棒或籽晶棒熔化，结晶，得到致密的多晶料棒；（５）将（４）中制得多晶料棒一根固定于单晶炉的籽晶杆上作为籽晶棒，一根悬挂于原料杆上作为原料棒，调节籽晶杆、原料杆位置，使原料棒末端与籽晶棒顶端接触，并且接触处与卤素灯处于同一在水平线上，两料棒在竖直方向上成一条直线；（６）在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以３２００～３４００Ｗ／ｈ的功率输出，籽晶棒和原料棒逆向旋转，旋转速度分别为１５～２０ｒｐｍ，并且原料棒和籽晶棒分别以３～５ｍｍ／ｈ的速率向下、向上移动通过熔区，进行晶体生长，晶体生长完成后，在１～２ｈ时间内将卤素灯输出功率降至０，最终Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］基晶体包括Ｆｅ：Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］晶体或Ｎｉ：Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］晶体。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王越，范修军，徐宏，蒋毅坚，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]