CN103603047A - 铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体及熔体法生长方法，其分子式为La3Ga5(1-x)M5xSiO14(M=Cr、Mn、Co，0<x<1)，将La2O3、Ga2O3、M2O3、SiO2按比例配制并充分混合好后，压制成形、高温烧结，成为晶体生长的起始原料；将晶体生长的初始原料放入坩埚经加热充分熔化后，成为熔体法生长的初始熔体，然后用熔体法来进行生长，获得其单晶。本发明采用价格相对便宜的Cr、Mn、Co元素来部分取代Ga，获得La3Ga5(1-x)M5xO14，在保持其压电性能、结构情形下，改善或克服Ga挥发在晶体生长中对质量的影响，获得性价比高、有利于普及应用的压电晶体，用于通讯等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法，属于压电晶体和晶体生长领域。
技术背景
压电晶体是声表面波器件的重要材料，不断发展的压电晶体是促使声表面波器件快速发展的重要因素。以扩频技术为标志的新一代无线系统中，声表面波器件由于具有大宽带、优异的通带选择性、极小的带内畸变、实时处理能力的特点而成为新一代各类宽带无线通信系统中的信后前端、中频信号处理的不可替代器件。石英、铌酸锂、钽酸锂晶体是较早被用来制作声表面波器件，其中石英的介电、压电系数和机电耦合系数相对较小，但具有良好的温度稳定性，因而适合制备对温度稳定性要求高的声表面波器件；铌酸锂晶体的机电耦合系数大、传播损耗小，是制备宽带低损耗声表面波器件的重要材料；钽酸锂也有大的机电耦合系数，声衰减最小，温度稳定性优于铌酸锂，但早期由于其熔点比铌酸锂高，生长技术复杂，故没有应用在声表面波器件上。但在1977年日本的
大尺寸铌酸锂生长成功后，钽酸锂开始用被用于声表面波器件上。
在近年来，人们发展出了新型压电单晶硅酸镓镧(La3Ga5SiO14，下简记为LGS)，它具有适中的机电耦合系数、良好的温度稳定性,能够满足声表面波器件对基片材料的基本要求；其声表面波传播速率低,这对实现器件小型化非常有利；其良好的高温稳定性好有望用于高温环境，是许多高端运应用如航天领域的重要压电晶体。这些优点使得人们对LGS非常重视，对其性能、晶体生长做了大量的研究工作。由于LGS中的Ga组分原料很贵，限制了它的普及应用；且在生长中Ga存在挥发，对晶体生长的控制和晶体质量有很大影响，因而，人们对LGS中的Ga替代做了大量工作，以Al替代Ga即La3Ga5-xAlxSiO14，但是Al替代的LGS的最大x值为1.5，且当x＝0.9时，生长晶体会出现严重开裂，因而，Al取代Ga所取得的成本降低有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法，获得性能优良的压电单晶，在通讯等领域有重要的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体，其分子式可表示为La3Ga5(1-x)M5xSiO14，其中，M＝Cr、Mn、Co，x的取值范围为：0<x<1。
铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体的熔体法生长方法，包括以下步骤：
（1）采用La2O3、Ga2O3、M2O3、SiO2作为原料，按下列化学反应式:
（2）将多晶原料压制成形，在1000-1450℃烧结10-70小时，获得晶体生长的初始原料；或者将多晶原料压制成形后不经额外烧结，直接用作晶体生长的初始原料；
（3）将晶体生长的初始原料放入生长铂坩埚、铱坩埚、钼坩埚或钨坩埚内，通过感应加热或电阻加热并充分熔化，获得晶体生长熔体；然后采用熔体法晶体生长工艺-提拉法、坩埚下降法、温梯法、热交换法、泡生法、顶部籽晶法或助熔剂晶体生长方法进行生长。
本发明熔体法生长铁掺杂硅酸镓镧晶体时，包括采不用籽晶生长和采用用籽晶定向生长；对于采用籽晶定向生长，籽晶为Cr、Mn或Co掺杂硅酸镓镧单晶或纯硅酸镓镧单晶，籽晶方向<100>、<010>或<001>方向。
本发明铁掺杂硅酸镓镧晶体生长中存在Ga挥发，同时存在Cr、Mn、Co的分凝现象，生长出的晶体组分和配料组分会有差别，但在均在权利1所指明的范围之内；设Cr、Mn、Co的有效分凝系数为k，则考虑分凝效应后，配制生长浓度为x的单晶的原料应按下列化学化学反应式:
进行配制。
本发明配料中所用原料La2O3、Ga2O3、Cr2O3、Mn2O3、Co2O3、SiO2，可采用相应的La、Ga、Cr、Mn、Co、Si的其它化合物代替，原料合成方法包括高温固相反应、液相合成、气相合成方法，但需满足能通过化学反应能最终形成化合物La3Ga5(1-x)Cr5xSiO14、La3Ga5(1-x)Mn5xSiO14或La3Ga5(1-x)Co5xSiO14这一条件。
本发明的有益效果：
本发明采用价格相对便宜的Cr、Mn、Co元素来部分取代Ga，获得La3Ga5(1-x)M5xO14，在保持其压电性能、结构的情形下，改善或克服Ga挥发对晶体生长中对质量的影响，获得具有性价比高、有利于普及应用的压电晶体，用于通讯等领域。
具体实施方式
需要设所需制备Cr掺杂浓度为10at%的铬掺杂硅酸镓镧晶体，晶体生长所需的原料为500g，忽略Cr的分凝效应（即k＝1），则熔体法晶体生长方法如下：
(1)采用La2O3、Ga2O3、Cr2O3、SiO2作为原料，按下列化学反应式
进行配料；
（2）按此比例共称取18.84g Cr2O3、242.29g La2O3、209.09g Ga2O3、29.79gSiO2充分混合均匀，然后在1200℃下煅烧100小时，压制成饼状，获得晶体生长的初始原料；
（3）将晶体生长的初始原料放入生长铱坩埚内，利用JGD60型单晶炉系统，通过中频感应加热并充分熔化，获得晶体生长初始熔体；然后采用提拉法晶体生长工艺、以<100>方向的硅酸镓镧单晶为籽晶定向生长，获得<100>方向生长的铬掺杂硅酸镓镧单晶。
Claims (5)
1.一种铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体，其特征在于：其分子式可表示为
La3Ga5(1-x)M5xSiO14，其中，M＝Cr、Mn、Co，x的取值范围为：0<x<1。
2.如权利要求1所述的铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）采用La2O3、Ga2O3、M2O3、SiO2作为原料，按下列化学反应式:
（2）将多晶原料压制成形，在1000-1450℃烧结10-70小时，获得晶体生长的初始原料；或者将多晶原料压制成形后不经额外烧结，直接用作晶体生长的初始原料；
（3）将晶体生长的初始原料放入生长铂坩埚、铱坩埚、钼坩埚或钨坩埚内，通过感应加热或电阻加热并充分熔化，获得晶体生长熔体；然后采用熔体法晶体生长工艺-提拉法、坩埚下降法、温梯法、热交换法、泡生法、顶部籽晶法或助熔剂晶体生长方法进行生长。
3.根据权利要求2所述的铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：所述熔体法生长铁掺杂硅酸镓镧晶体时，包括采不用籽晶生长和采用用籽晶定向生长；对于采用籽晶定向生长，籽晶为Cr、Mn或Co掺杂硅酸镓镧单晶或纯硅酸镓镧单晶，籽晶方向<100>、<010>或<001>方向。
4.根据权利要求2所述的铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：所述铁掺杂硅酸镓镧晶体生长中存在Ga挥发，同时存在Cr、Mn、Co的分凝现象，生长出的晶体组分和配料组分会有差别，但在均在权利1所指明的范围之内；设Cr、Mn、Co的有效分凝系数为k，则考虑分凝效应后，配制生长浓度为x的单晶的原料应按下列化学化学反应式:
进行配制。
5.根据权利要求2所述的铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：所述配料中所用原料La2O3、Ga2O3、Cr2O3、Mn2O3、Co2O3、SiO2，可采用相应的La、Ga、Cr、Mn、Co、Si的其它化合物代替，原料合成方法包括高温固相反应、液相合成、气相合成方法，但需满足能通过化学反应能最终形成化合物La3Ga5(1-x)Cr5xSiO14、La3Ga5(1-x)Mn5xSiO14或La3Ga5(1-x)Co5xSiO14这一条件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Qi Inventor after: Zhang Yonghua Inventor before: Zhang Qingli Inventor before: Zhang Qi |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG QINGLI ZHANG QI TO: ZHANG QI ZHANG YONGHUA |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220628 Address after: 244000 c115, China University of science and technology entrepreneurship Park, Cuihu Second Road, Tongling Economic Development Zone, Anhui Province Patentee after: Anhui Jingbo Dingge Window Technology Co.,Ltd. Address before: 244000 D209, China University of science and technology entrepreneurship Park, Cuihu Second Road, Tongling Development Zone, Anhui Province Patentee before: ANHUI FIRESKY CRYSTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240108 Address after: Plant 1, No. 77, South Section of Mount Huangshan Avenue, Tongling Economic Development Zone, Anhui Province, 244000 Patentee after: ANHUI FIRESKY CRYSTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 244000 c115, China University of science and technology entrepreneurship Park, Cuihu Second Road, Tongling Economic Development Zone, Anhui Province Patentee before: Anhui Jingbo Dingge Window Technology Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Chromium, manganese or cobalt doped gallium lanthanum silicate crystals and their melt growth methods Granted publication date: 20160217 Pledgee: Tongling state credit financing Company limited by guarantee Pledgor: ANHUI FIRESKY CRYSTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980031803 |