一种采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法与流程

[0001]
本发明涉及晶体生长的技术领域，具体涉及到一种采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法。


背景技术：

[0002]
钇铁石榴石晶体是一种具有优异的微波、磁光以及磁性的石榴石结构的功能材料，理论密度为5.171g/cm3，在红外辐射下呈现全透明状态，被广泛研究应用于各类光学器件、磁光器件和微波器件，是光通讯领域的关键材料。钇铁石榴石(yig)制成的光隔离器能够很好的解决反射光对光纤传输的干扰问题，在光纤通信等领域有重要应用。随着现代化军事的需要和信息社会的飞速发展，5g通讯、电子对抗等领域对钇铁石榴石晶体及其掺杂改性提出了更高的要求。
[0003]
由于钇铁石榴石的熔点较高，生长钇铁石榴石单晶的氧化物原料y2o3的熔点为2410℃，fe2o3的熔点为1538℃，而且生长的钇铁石榴石晶体存在高温相变，在生长的过程中会发生包晶反应、共晶反应，因此在生长大尺寸的钇铁石榴石单晶时存在一定的困难。常用制备晶体的方法，例如提拉法，不适用于这种非一致熔融的材料；区熔法得到的yig晶体尺寸较小，难以满足大尺寸器件的应用；液相外延法能够生长薄膜，不适用于生长大尺寸块状单晶。本发明采用复合助熔剂法生长大尺寸块状单晶，有助于解决以上存在的问题，适合生长大尺寸的块状单晶。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种无铅的采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法，解决了现有的生长过程中环境污染、晶体的熔点较高的问题和难以生长大尺寸块状钇铁石榴石的瓶颈。
[0005]
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法，包括以下步骤：（1）原料的制备：根据y3fe5o
12
化学式按照y：fe：o=3:5:12的摩尔比准确称量y2o3和fe2o3粉末原料，并将称量好的各种原料至于玛瑙研钵中进行充分研磨4-5小时，得到混合原料；（2）多晶料的制备：将混合原料装入坩埚，放入马弗炉中，在1050℃-1400℃下预烧10-16小时，得到钇铁石榴石多晶料块，经过xrd测试所得结果如图1所示，确定合成的物质是yig多晶料。将多晶料块进行粉碎，并加入复合助熔剂后球磨4小时得到多晶料；（3）籽晶的处理：将直径为3mm的圆柱形yig籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇采用超声加热清洗40分钟，然后再在浓硝酸与水以1:2混合的溶液中煮沸1小时，最后再使用去离子水清洗干净；将处理好的籽晶装入坩埚底部，并在坩埚中装入多晶料，之后将坩埚进行密封；（4）晶体生长预处理：首先将晶体生长炉内温度升高至1150℃-1500℃，将密封好的坩
埚放在晶体生长炉内的升降台上，将坩埚调节到炉内温场的垂直位置，将坩埚装有物料的区域垂直上升到炉内高温区，在1150℃-1500℃保温24-36小时，使得物料充分融化，再将坩埚中籽晶区缓慢上升至高温区，使得籽晶顶部融化，再保温3-5小时；（5）晶体的生长：完成步骤（4）之后，使坩埚逐渐离开温场高温区域，向低温区移动，移动速度在0.05-1mm/h，直到坩埚全部离开高温区到达低温区，让高温溶液缓慢冷却并析出石榴石结晶，生长结束后自然冷却至室温；取出并剥离坩埚，得到晶锭；（6）晶体的后处理：将步骤（5）中所得的晶锭通过机械剥离或浓硝酸腐蚀清洗，去除外部包裹的助熔剂，得到钇铁石榴石晶体。实验所得钇铁石榴石晶体如图2所示。
[0006]
优选的，所述原料均为纯度大于等于99.99%。
[0007]
优选的，所述复合助熔剂为bi2o3+b2o3，其添加量为所述多晶料总重量的50%-95%。
[0008]
优选的，所述籽晶的取向为<111>、<110>、<100>或<001>。
[0009]
优选的，所述坩埚的厚度为0.2-0.7mm。
[0010]
优选的，步骤（6）中所述浓硝酸溶液由浓度为69%的浓硝酸按照体积比为1：2配置而成，并在水浴锅里60℃-80℃加热腐蚀清洗。
[0011]
本发明的有益效果是：本发明添加复合助熔剂有效降低了材料的熔点，通过垂直移动法在垂直方向上为晶体生长提供了一个驱动力，促进了晶体的生长和长大，降低了生长难度和能耗成本，克服了现有钇铁石榴石晶体制备方法对晶体生长的限制，制备出了块体钇铁石榴石晶体，该晶体光滑无开裂现象，晶体尺寸可达20
×
30mm，可以作为磁光材料应用；满足了需块体磁光晶体材料的磁光器件的使用需求，同时促进了产业化的发展。
附图说明
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图1为合成yig多晶料的xrd图；图2为实验最终所得的yig晶体图。
具体实施方式
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下面结合实施例对本发明作进一步描述。
[0014]
实施例1：一种采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法，包括以下步骤：（1）原料的制备：实验所用原料为纯度≥99.99%的y2o3和fe2o3，根据y3fe5o
12
的化学式，按照y：fe：o=3：5：12的摩尔比进行称量。将称量好的原料加入玛瑙研钵中进行充分研磨4个小时得到混合原料；（2）多晶料的制备：将混合原料装入坩埚，放入马弗炉中，在1050℃℃下预烧16小时，得到钇铁石榴石多晶料块，将多晶料块进行粉碎，加入bi2o3和b2o3为主的复合助熔剂，助熔剂原料纯度为99.99%，占混合物料的60%，将混合好的物理充分球磨6小时得到多晶料；图1中给出了其xrd图谱和标准卡的比较，可见二者相一致，表明实验成功合成了yig的多晶料。
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（3）籽晶的处理：生长采用yig籽晶，采用3mm的yig籽晶，其取向为<000>，截面为圆形的圆柱体，将籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声加热清洗40分钟，然后再浓硝酸与水1:2混合的溶液中煮沸1小时，再使用去离子水清洗干净；将处理好的籽晶装入坩埚底部，并在坩埚中装入多晶料，之后将坩埚进行密封；
（4）晶体生长预处理：首先将晶体生长炉内温度升高至1150℃℃，将密封好的坩埚放在晶体生长炉的升降台上，将坩埚调节到炉内温场的垂直位置，缓慢将坩埚装有物料的区域垂直上升到炉内高温区，在1150℃℃保温36小时，使得物料充分融化，再将部分坩埚中籽晶区缓慢上升至高温区，使得籽晶顶部融化，再保温3小时；（5）晶体的生长：完成步骤（4）之后晶体生长炉就可以下降了，使坩埚逐渐下降离开温场高温区域，向低温区移动，移动速度在0.05mm/h，直到坩埚全部离开高温区到达低温区，让高温溶液缓慢冷却全部结晶，冷却至室温得到晶锭；（6）晶体的后处理：将步骤（5）中所得的晶体锭通过机械剥离和浓硝酸腐蚀清洗，去除外部包裹的助熔剂杂质，得到钇铁石榴石晶体。
[0016]
实施例2：一种采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法，包括以下步骤：（1）原料的制备：实验所用原料为纯度≥99.99%的y2o3和fe2o3，根据y3fe5o
12
的化学式，按照y：fe：o=3：5：12的摩尔比进行称量。将称量好的原料加入玛瑙研钵中进行充分研磨5个小时得到混合原料；（2）多晶料的制备：将混合原料装入坩埚，放入马弗炉中，在1400℃下预烧10小时，得到钇铁石榴石多晶料块，将多晶料块进行粉碎，加入bi2o3和b2o3为主的复合助熔剂，助熔剂原料纯度为99.99%，占混合物料的50%，将混合好的物理充分球磨6小时得到多晶料；（3）籽晶的处理：生长采用yig籽晶，采用3mm的yig籽晶，其取向为<000>，截面为圆形的圆柱体，将籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声加热清洗40分钟，然后再浓硝酸与水1:2混合的溶液中煮沸1小时，再使用去离子水清洗干净；将处理好的籽晶装入坩埚底部，并在坩埚中装入多晶料，之后将坩埚进行密封；（4）晶体生长预处理：首先将晶体生长炉内温度升高至1500℃，将密封好的坩埚放在晶体生长炉的升降台上，将坩埚调节到炉内温场的垂直位置，缓慢将坩埚装有物料的区域垂直上升到炉内高温区，在1500℃保温24小时，使得物料充分融化，再将部分坩埚中籽晶区缓慢上升至高温区，使得籽晶顶部融化，再保温5小时；（5）晶体的生长：完成步骤（4）之后晶体生长炉就可以下降了，使坩埚逐渐下降离开温场高温区域，向低温区移动，移动速度在1mm/h，直到坩埚全部离开高温区到达低温区，让高温溶液缓慢冷却全部结晶，冷却至室温得到晶锭。
[0017]
（6）晶体的后处理：将步骤（5）中所得的晶体锭通过机械剥离和浓硝酸腐蚀清洗，去除外部包裹的助熔剂杂质，得到钇铁石榴石晶体。
[0018]
实施例3一种采用复合助熔剂生长钇铁石榴石晶体的方法，包括以下步骤：（1）原料的制备：实验所用原料为纯度≥99.99%的y2o3和fe2o3，根据y3fe5o
12
的化学式，按照y：fe：o=3：5：12的摩尔比进行称量。将称量好的原料加入玛瑙研钵中进行充分研磨4.5个小时得到混合原料；（2）多晶料的制备：将混合原料装入坩埚，放入马弗炉中，在1250℃下预烧12小时，得到钇铁石榴石多晶料块，将多晶料块进行粉碎，加入bi2o3和b2o3为主的复合助熔剂，助熔剂原料纯度为99.99%，占混合物料的60%，将混合好的物理充分球磨6小时得到多晶料；（3）籽晶的处理：生长采用yig籽晶，采用3mm的yig籽晶，其取向为<000>，截面为圆形的
圆柱体，将籽晶依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声加热清洗40分钟，然后再浓硝酸与水1:2混合的溶液中煮沸1小时，再使用去离子水清洗干净；将处理好的籽晶装入坩埚底部，并在坩埚中装入多晶料，之后将坩埚进行密封；（4）晶体生长预处理：首先将晶体生长炉内温度升高至1350℃，将密封好的坩埚放在晶体生长炉的升降台上，将坩埚调节到炉内温场的垂直位置，缓慢将坩埚装有物料的区域垂直上升到炉内高温区，在1350℃保温30小时，使得物料充分融化，再将部分坩埚中籽晶区缓慢上升至高温区，使得籽晶顶部融化，再保温4小时；（5）晶体的生长：完成步骤（4）之后晶体生长炉就可以下降了，使坩埚逐渐下降离开温场高温区域，向低温区移动，移动速度在0.08mm/h，直到坩埚全部离开高温区到达低温区，让高温溶液缓慢冷却全部结晶，冷却至室温得到晶锭。
[0019]
（6）晶体的后处理：将步骤（5）中所得的晶体锭通过机械剥离和浓硝酸腐蚀清洗，去除外部包裹的助熔剂杂质，得到钇铁石榴石晶体。
[0020]
从图2中可以看出晶体尺寸可达20
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30mm，晶体有明显的生长条纹和清洗的棱角，晶体的结晶质量很好。
[0021]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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