CN102061522B - 大尺寸Al2O3基晶体的二步法制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大尺寸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。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长领域，具体涉及Al2O3基晶体的二步法制备方法。
背景技术
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(α-Al2O3)晶体具有一系列独特而优良的物理化学性能，特别是0.2～0.5μm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。(Tanaka，T.；Sato，A.；Takenouchi，S.；Kamiya，K.；Numazawa，T.，Floating-zone crystal growth ofNb-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(α-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。
发明内容
本发明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，本发明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(2)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(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Al2O3基晶体包括Fe:Al2O3晶体或Ni:Al2O3晶体。
步骤(1)所述的掺杂粉料为NiO粉料或Fe2O3粉料，NiO粉料的掺杂量为1-6wt％，Fe2O3粉料掺杂量为0.1-2wt％。
本发明工艺的明显优点：
(1)本工艺采用二步法制备出Ni:Al2O3，Fe:Al2O3晶体，晶体掺杂均匀，尺寸较大，Ni:Al2O3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x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是实施例1Ni:Al2O3晶体粉末的X射线衍射图谱；
图2是实施例2Ni:Al2O3晶体的横切面、纵切面抛光后在偏光显微镜下的形貌图；
图3是实施例3Ni:Al2O3晶体的形貌图；
图4是实施例4Ni:Al2O3晶体的表面的扫描电镜形貌图；
图5是实施例5Ni:Al2O3晶体的形貌图；
图6是实施例6Fe:Al2O3晶体的形貌图；
图7是实施例7Fe:Al2O3晶体粉末的X射线衍射图谱；
图8是实施例8Fe:Al2O3晶体的横切面、纵切面抛光后在偏光显微镜下的形貌图；
图9是实施例9Fe:Al2O3晶体的形貌图；
图10是实施例10Fe:Al2O3晶体的表面的扫描电镜形貌图；
图11是实施例11Fe:Al2O3晶体的形貌图。
具体实施方式
实施例1：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺1wt％NiO的Ni:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、NiO粉料按质量比99.0∶1.0配料，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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2720W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒以20mm/h的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的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、原料棒杆位置，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，四椭球的卤素灯以3200W/h的功率输出，加热。籽晶棒和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在1h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图1为Ni:Al2O3晶体粉末X射线衍射图谱，可以看出特征峰尖锐，所制的试样为纯相，不含第二相，为均一的单相结构。
实施例2：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺1.5wt％NiO的Ni:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、NiO粉料按质量比98.5∶1.5配料，置于球磨罐中球磨，烘干，过筛。
(2)将(1)中制得粉料装入直径为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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2750W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒分别以20mm/h的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的多晶料棒一根固定于单晶炉的籽晶杆上作为籽晶棒，一根悬挂于料棒杆上作为原料棒。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，四椭球的卤素灯以3220W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在1.5h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图2(a)、(b)分别为Ni:Al2O3晶体横切面、纵切面抛光后在偏光显微镜下的形貌图，由图可以看出样品在偏光显微镜下呈黄色，整体光滑，小角度晶界很少，表现出良好的晶体质量。
实施例3：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺2wt％NiO的Ni:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、NiO粉料按质量比98.0∶2.0配料，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原料杆上(称为料棒)，调节料棒位置，使料棒末端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2750W/h的功率输出，料棒以25rpm旋转，料棒分别以20mm/h的速率向下移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对料棒进行扫描加热。完成之后，调节料棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的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3220W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以15rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在1.5h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图3为Ni:Al2O3晶体形貌图可以看出，Ni:Al2O3晶体呈金黄色光泽，透亮，有细密的生长条纹，直径为5～6mm，长度为50mm，无裂纹、气泡，表现出良好的色泽、结构均匀性。
实施例4：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺3wt％NiO的Ni:Al2O3晶体。
(1)将将Al2O3粉料、NiO粉料按质量比97.0∶3.0配料，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原料杆上(称为料棒)，调节料棒位置，使料棒末端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2750W/h的功率输出，料棒以30rpm旋转，料棒分别以20mm/h的速率向下移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对料棒进行扫描加热。完成之后，调节料棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热，料棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的多晶料棒一根固定于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3250W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以15rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图5为Ni:Al2O3晶体表面在扫描电镜下的形貌图，由图可以看出晶体表面均匀光滑，没有其他杂质，表现出良好的结构完整性和均匀性。
实施例5：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺6wt％NiO的Ni:Al2O3晶体。
(1)将将Al2O3粉料、NiO粉料按质量比94.0∶6.0配料，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原料杆上(称为料棒)，调节料棒位置，使料棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2750W/h的功率输出，料棒以30rpm旋转，料棒分别以20mm/h的速率向下移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节料棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热，料棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的多晶料棒一根固定于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3250W/h的功率输出，籽晶和原料棒以15rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图5为Ni:Al2O3晶体形貌图，可以看出，Ni:Al2O3晶体呈金黄色光泽，透亮，有细密的生长条纹，直径为5～6mm，长度为50mm，无裂纹、气泡，表现出良好的色泽、结构均匀性。
实施例6：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺0.1wt％ Fe2O3的Fe:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、Fe2O3粉料按质量比99.9∶0.1配料，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原料杆上(称为料棒)，调节料棒位置，使料棒末端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2800W/h的功率输出，料棒以20rpm旋转，料棒分别以20mm/h的速率向下移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对料棒进行扫描加热。完成之后，调节料棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热。如此扫描加热重复2来回，料棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的多晶料棒一根固定于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3350W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以15rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以3mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在1.2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图6为Fe:Al2O3晶体形貌图，由图可以看出，Fe:Al2O3晶体整体呈白色，有柳絮状蓝色物质镶嵌在其中，有细密的生长条纹，直径为5～6mm，长度为70mm，无裂纹、气泡，表现出良好的色泽、结构均匀性。
实施例7：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺0.3wt％ Fe2O3的Fe:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、Fe2O3粉料按质量比99.7∶0.3配料，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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2800W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒分别以20mm/h的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热。如此扫描加热重复2来回，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的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，四椭球的卤素灯以3350W/h的功率输出，籽晶和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在1.5h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图6为Fe:Al2O3晶体粉末X射线衍射图谱，可以看出特征峰尖锐，所所制的试样为纯相，不含第二相，为均一的单相结构。
实施例8：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺0.7wt％ Fe2O3的Fe:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、Fe2O3粉料按质量比99.3∶0.7配料，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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2850W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒分别以20mm/h的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热。如此扫描加热重复2个来回，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的多晶料棒一根固定于单晶炉的籽晶杆上作为籽晶，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，四椭球的卤素灯以3350W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图8(a)、(b)分别为Fe:Al2O3晶体纵切面、横切面抛光后在偏光显微镜下的形貌图，由图可以看出样品在偏光显微镜下呈蓝色，晶体小角度晶界很少，表现出良好的晶体质量。
实施例9：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺Fe2O3 1wt％的Fe:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、Fe2O3粉料按质量比99.0∶1.0配料，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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2900W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒分别以20mm/h的速率向上移动，通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热。如此扫描加热重复2来回，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的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，四椭球的卤素灯以3400W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图9为Fe:Al2O3晶体形貌图，可以看出，Fe:Al2O3晶体呈蓝色光泽，有细密的生长条纹，直径为7～8mm，长度为65mm，无裂纹、气泡，表现出良好的色泽、结构均匀性。
实施例10：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺1.5wt％Fe2O3的Fe:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、Fe2O3粉料按质量比98.5∶1.5配料，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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以2950W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒分别以20mm/h的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热。如此扫描加热重复2来回，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的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，四椭球的卤素灯以3400W/h的功率输出，籽晶和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图10为Fe:Al2O3晶体表面在扫描电镜下的形貌图，由图可以看出晶体有细密的生长条文，没有其他杂质，表现出良好的结构完整性和均匀性。
实施例11：本发明所使用的晶体生长炉为日本Crystal Systems Corporation生产的FZ-T-10000-VI-VPO-PC光学浮区法晶体生长炉，生长的为掺2wt％ Fe2O3的Fe:Al2O3晶体。
(1)将Al2O3粉料、Fe2O3粉料按质量比98.0∶2.0配料，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(称为籽晶棒)，调节籽晶棒位置，使籽晶棒顶端与卤素灯处于同一在水平线上。
(4)在空气氛围中，单晶炉的卤素灯以3000W/h的功率输出，籽晶棒以30rpm旋转，籽晶棒分别以20mm/h的速率向上移动通过卤素灯加热区域，卤素灯对籽晶棒进行扫描加热。完成之后，调节籽晶棒以相同速率反向通过卤素灯加热区域，再次进行扫描加热。如此扫描加热重复2来回，籽晶棒熔化，结晶。得到致密的多晶料棒。
(5)将(4)中得到的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，四椭球的卤素灯以3400W/h的功率输出，籽晶棒和原料棒以20rpm逆向旋转，原料棒和籽晶棒以5mm/h的速率分别向下、上移动通过熔区，完成晶体生长。晶体生长完成后，在2h时间内将卤素灯输出功率降至0。
图11为Fe:Al2O3晶体形貌图，可以看出，Fe:Al2O3晶体呈蓝色光泽，有细密的生长棱，直径为7～8mm，长度为60mm，无裂纹、气泡，表现出良好的色泽、结构均匀性。
Claims (1)
1.大尺寸Al2O3基晶体的二步法制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将Al2O3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Al2O3基晶体包括Fe:Al2O3晶体或Ni:Al2O3晶体；
步骤(1)所述的掺杂粉料为NiO粉料或Fe2O3粉料，NiO粉料的掺杂量为1-6wt％，Fe2O3粉料掺杂量为0.1-2wt％。
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