CN104005088A - 过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的提拉法生长方法 - Google Patents

过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的提拉法生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，晶体分子式可表示为TM2xMgAl2(1-x)O4和TM'yMg1-yAl2O4（TM=Ti3+，Cr3+，Fe3+，Ni3+；TM'=Mn2+，V2+，Co2+，0<x<1，0<y<1），其特征在于，采用火焰法合成的MgAl2O4多晶原料，将其和比例浓度配制的过渡族金属氧化物放入铱坩埚中，将其充分受热熔化，采用镁铝尖晶石晶体或掺杂镁铝尖晶石作为籽晶，用提拉法进行晶体生长。本发明可获得大尺寸、高质量的晶体，有望用于微细加工、激光医疗、激光化学、激光印刷、军事应用、水下通讯和轴同位素分离等领域。

Description

过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的提拉法生长方法
技术领域
本发明涉及一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，属于晶体生长技术领域。
背景技术
当前微细加工、激光医疗、激光化学、激光印刷、军事应用、水下通讯和轴同位素分离等领域迫切要求固体激光器向短波长发展。掺入过渡金属离子的镁铝尖晶石单晶体可望成为短波长激光材料而引起国际上的广泛重视。在MgAl2O4中掺入过渡金属离子如Cr3+，Ti3+等，由于尖晶石晶场与掺杂离子相互作用而使离子的能态发生分裂变化，使得激活离子在晶场中产生短波长激光输出的能级结构，展示出良好的光谱特性。由于MgAl2O4晶体的熔点高达2130℃，接近铱坩埚的安全使用温度2200℃，一旦温场条件不合适极易导致铱坩埚熔化损坏，并且高温条件下熔体表面的MgO和Al2O3存在非比例挥发，严重影响晶体质量，因此一直以来MgAl2O4及其掺杂晶体的生长方法主要有火焰法、浮区法、微下拉法或熔盐法。2006年和2008年AnisJouinia .etc和P. Lombard .etc分别采用微下拉法生长了Mn:MgAl2O4和Ti:MgAl2O4晶体（参见J.Cryst. Growth 293 (2006) 517和J.Cryst. Growth, 311(2009) 899）；2004年和2005年Ayana Tomita .etc和TokushiSatoa .etc分别采用浮区法生长了Mn:MgAl2O4和Ti:MgAl2O4晶体（参见J.Lumin. 109 (2004) 19和J.Lumin. 114 (2005) 155）；1990年和1997年，l. E. Bausa.etc和N.V. Kuleshova.etc分别采用火焰法生长了Ti:MgAl2O4和Ni:MgAl2O4晶体（参见J. appl. Phys. 68(1990)457和J. Lumin. 71 (1997) 265）；1968年，D. L. Wood .etc采用熔盐法获得了Cr:MgAl2O4晶体（参见J. Chem. Phys. 48 (1968) 5255），研究表明这些掺杂的镁铝尖晶石晶体都是很有希望的可见光波段激光材料，但是这些方法生长的晶体质量差，晶体内部有包裹体、内部核芯等缺陷，或者晶体外形为长条状、直径小，难以满足实用化的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种过渡族金属离子掺杂的MgAl2O4晶体生长方法，获得光学质量优、尺寸大的短波长激光晶体材料，以达到实用化的要求。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于：
1）称取好晶体生长原料放入坩埚中；
2）将籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空，设置升温程序进行升温熔料；
3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间后进行晶体提拉生长，并在感应炉内采用提拉法生长TM2xMgAl2(1-x)O4和TM'yMg1-yAl2O4；
其中：TM代表三价的过渡族金属离子Ti3+、Cr3+、Fe3+或Ni3+；TM'代表二价的过渡金属离子Mn2+、V2+或Co2+，生长的晶体中TM的浓度为x，TM'的浓度为y，x和y的取值范围分别为0<x<1，0<y<1。
所述晶体提拉法生长的转速为10~15r/min，拉速为1~2mm/h。
所述的晶体生长原料TM2xMgAl2(1-x)O4是采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM2O3粉末，并按TM2O3:MgAl2O4=x/k:（1-x/k）的比例进行称量混合获得；
其中：x为TM:MgAl2O4的生长浓度，k为TM在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k的取值为：0<k≦1.5；
所述的晶体生长原料TM'yMg1-yAl2O4由采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM'O2粉末，按TM'O2:MgAl2O4=y/k':（1-y/k'）的比例进行称量混合获得；
其中y为TM':MgAl2O4的生长浓度，k'为TM'在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k'的取值为：0<k'≦1.5。
所述的籽晶为TM:MgAl2O4或MgAl2O4单晶。
所述籽晶的方向为晶体[100]、[010]、[001]、[111]方向，以及和[001]方向成0和180°之间的任意方向。
所述过渡族金属离子TM2O3或TM'O2，可采用相应的TM和TM'元素的其它化合物代替。
本发明具体工艺步骤如下：
步骤1、以火焰法合成的MgAl2O4多晶和过渡族金属氧化物粉末TM2O3或TM'O2为原料，按TM2O3:MgAl2O4=x/k:(1-x/k)的比例进行称量混合，获得TM:MgAl2O4的晶体生长原料，按TM'O2:MgAl2O4=y/k':(1-y/k')的比例进行称量混合，获得TM':MgAl2O4的晶体生长原料；
步骤2、称量好的晶体生长原料放入铱坩埚中，将[100]、[010]、[001]、[111]方向，或[001]方向成0和180°之间的任意方向的MgAl2O4籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空至10Pa以下，设置升温程序进行升温熔料；
步骤3、待锅内原料完全熔化后，保持一段时间，以10~15r/min的速度和1~2mm/h的拉速进行晶体生长。
本发明的有益效果是：本发明可获得大尺寸、高质量的晶体，用于微细加工、激光医疗、激光化学、激光印刷、军事应用、水下通讯和轴同位素分离等领域。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其具体步骤如下：
（1）制备Cr3+掺杂浓度为0.05at％镁铝尖晶石单晶，设Cr3+的有效分凝系数为k，取TM=Cr2O3， x＝0.0005，采用MgAl2O4多晶和Cr2O3粉末为原料，按Cr2O3:MgAl2O4=0.0005/k:(1-0.0005/k)的比例进行称量配料；
（2）把晶体生长初始原料放入铱坩埚内，将<100>方向的MgAl2O4籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空至10Pa以下，设置升温程序进行升温熔料；
（3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间，以10r/min的速度和1.2mm/h的拉速进行晶体生长。
获得Cr3+掺杂浓度为0.05%at，等径部分为?30mm×70mm的Cr:MgAl2O4晶体，晶体无射、无气泡、无开裂。
实施例2
一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其具体步骤如下：
（1）制备Ti3+掺杂浓度为0.05at％镁铝尖晶石单晶，设Ti3+的有效分凝系数为k，取TM=Ti2O3， x＝0.0005，采用MgAl2O4多晶和Ti2O3粉末为原料，按按Ti2O3:MgAl2O4=0.0005/k:(1-0.0005/k)的比例进行称量配料；
（2）把晶体生长初始原料放入铱坩埚内，将<100>方向的MgAl2O4籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空至10Pa以下，设置升温程序进行升温熔料；
（3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间，以12r/min的速度和1.5mm/h的拉速进行晶体生长。
获得Ti3+掺杂浓度为0.05%at，等径部分为?30mm×70mm的Ti:MgAl2O4晶体，晶体无射、无气泡、无开裂。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于：
1）称取好晶体生长原料放入坩埚中；
2）将籽晶安装到籽晶杆上，关闭炉门，抽真空，设置升温程序进行升温熔料；
3）待锅内原料完全熔化后，保持一段时间后进行晶体提拉生长，并在感应炉内采用提拉法生长TM2xMgAl2(1-x)O4和TM'yMg1-yAl2O4晶体；
其中：TM代表三价的过渡族金属离子Ti3+、Cr3+、Fe3+或Ni3+；TM'代表二价的过渡金属离子Mn2+、V2+或Co2+，生长的晶体中TM的浓度为x，TM'的浓度为y，x和y的取值范围分别为0<x<1，0<y<1。
2.根据权利要求1所述过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于，所述晶体提拉法生长的转速为10~15r/min，拉速为1~2mm/h。
3.根据权利要求1所述过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于，所述的晶体生长原料TM2xMgAl2(1-x)O4是采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM2O3粉末，并按TM2O3:MgAl2O4=x/k:（1-x/k）的比例进行称量混合获得；
其中：x为TM:MgAl2O4的生长浓度，k为TM在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k的取值为：0<k≦1.5；
所述的晶体生长原料TM'yMg1-yAl2O4由采用火焰法制备的镁铝尖晶石MgAl2O4和TM'O2粉末，按TM'O2:MgAl2O4=y/k':（1-y/k'）的比例进行称量混合获得；
其中y为TM':MgAl2O4的生长浓度，k'为TM'在MgAl2O4中分凝效应的有效分凝系数，k'的取值为：0<k'≦1.5。
4.根据权利要求1所述过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于，所述的籽晶为TM:MgAl2O4或MgAl2O4单晶。
5.根据权利要求1所述过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于，所述籽晶的方向为晶体[100]、[010]、[001]、[111]方向，以及和[001]方向成0和180°之间的任意方向。
6.根据权利要求1所述过渡族金属离子掺杂的镁铝尖晶石晶体的生长方法，其特征在于，所述过渡族金属离子TM2O3或TM'O2，可采用相应的TM和TM'元素的其它化合物代替。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106753348A (zh) * 2016-11-22 2017-05-31 青岛农业大学 一种Fe3+激活荧光材料及其制造方法
CN107541779A (zh) * 2016-06-29 2018-01-05 安徽中科镭泰激光科技有限公司 一种彩色尖晶石宝石单晶的生长方法
CN109550492A (zh) * 2018-12-12 2019-04-02 余嘉琪 一种高导热高比表面积镁铝尖晶石的制备方法
CN113603475A (zh) * 2021-07-27 2021-11-05 西南科技大学 一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477241A (zh) * 2003-07-11 2004-02-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 铝酸镁尖晶石晶体的生长方法
CN1490438A (zh) * 2002-10-18 2004-04-21 四川大学 抗x射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法
CN1646436A (zh) * 2002-04-03 2005-07-27 圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司 尖晶石基片和在基片上进行iii－v材料的多相外延生长
CN1844492A (zh) * 2006-03-22 2006-10-11 中国科学院上海光学精密机械研究所 非化学计量比镁铝尖晶石单晶体制备方法
CN103603047A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 安徽火天晶体科技有限公司 铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1646436A (zh) * 2002-04-03 2005-07-27 圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司 尖晶石基片和在基片上进行iii－v材料的多相外延生长
CN1490438A (zh) * 2002-10-18 2004-04-21 四川大学 抗x射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法
CN1477241A (zh) * 2003-07-11 2004-02-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 铝酸镁尖晶石晶体的生长方法
CN1844492A (zh) * 2006-03-22 2006-10-11 中国科学院上海光学精密机械研究所 非化学计量比镁铝尖晶石单晶体制备方法
CN103603047A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 安徽火天晶体科技有限公司 铬、锰或钴掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. JOUINI，ET AL.: "Crystal growth and optical absorption of pure and Ti, Mn-doped MgAl2O4 spinel", 《JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH》 *
ANDRZEJ L. BAJOR，ET AL.: "Czochralski growth and characterization of MgAl2O4 single crystals", 《JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH》 *
YUTAKA FUJIMOTO，ET AL.: "Vanadium-doped MgAl2O4 crystals as white light source", 《JOURNAL OF LUMINESCENCE》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107541779A (zh) * 2016-06-29 2018-01-05 安徽中科镭泰激光科技有限公司 一种彩色尖晶石宝石单晶的生长方法
CN106753348A (zh) * 2016-11-22 2017-05-31 青岛农业大学 一种Fe3+激活荧光材料及其制造方法
CN106753348B (zh) * 2016-11-22 2019-11-01 青岛农业大学 一种Fe3+激活荧光材料及其制造方法
CN109550492A (zh) * 2018-12-12 2019-04-02 余嘉琪 一种高导热高比表面积镁铝尖晶石的制备方法
CN109550492B (zh) * 2018-12-12 2022-06-28 余嘉琪 一种高导热高比表面积镁铝尖晶石的制备方法
CN113603475A (zh) * 2021-07-27 2021-11-05 西南科技大学 一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法

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