CN104389013A - 一种超大稀土正铁氧体光磁功能晶体生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超大稀土正铁氧体光磁功能晶体生长方法，属光磁功能晶体技术领域。本发明的制备过程为：以高纯的R₂O₃和Fe₂O₃为原料，分别将Sm₂O₃、Tb₂O₃与Fe₂O₃按摩尔比1:1:2以及Pr₆O₁₁和Fe₂O₃按摩尔比1:3配比称重，在空气中烧结制备多晶料棒。得到的原料棒需经过接近熔点的高温预处理，再置于浮区炉中生长。该方法的特点是上棒下端呈倒圆锥状，有利于对接和扩径，但在扩径的同时要升高功率并同时调节气流以确保熔区熔化均匀，后期稳定生长选取最佳生长功率即可，该方法制备的晶体尺寸为直径超过18mm、长度大于25mm，该直径尺寸已经突破了光学浮区炉的设计极限：15mm。制得的大尺寸单晶将为后续的器件应用提供技术基础。

Description

一种超大稀土正铁氧体光磁功能晶体生长方法

技术领域

本发明涉及一种采用光学浮区法生长超大稀土正铁氧体光磁功能晶体Sm_0.5Tb_0.5FeO₃单晶体的方法，属于晶体生长领域。

背景技术

功能材料是二十一世纪高新技术发展最重要的先导性和基础性材料之一，在国际上，对于新型功能材料的开发和研究一直都很活跃。它的进步推动着诸如信息、电子、机械、化工、航天和通讯等尖端的高科技产业的飞速发展。稀土正铁氧体材料作为一种功能材料，由于具有着多种功能特性，因此具有较大的研究价值和应用前景，一直是凝聚态物理和材料科学领域探索和开发功能体系的热点之一。早在 1950 年，Forestier 等人发现了正铁氧体的磁性，它也是最早的一种磁泡材料。直到上世纪六七十年代稀土正铁氧体RFeO₃才被发现具有独特的磁性能、磁光、光磁性能、巨磁电阻以及磁电耦合性能等，它们一直受到物理学家和材料学家的关注，其应用领域也在不断拓展，可制成磁光开关、调制器、偏转器、传感器等光学器件，特别是作为隔离器中的法拉第转子材料，广泛应用于光纤通信等领域。2004, 2005年的Nature上也先后报道了关于RFeO₃的最新研究动态。2004年，A. V. Kimel等人使用超短的激光脉冲，在TmFeO₃单晶片上实现了几个皮秒时间尺度的超快自旋重取向，而一般铁磁体的自旋重取向需要几百个皮秒。超快自旋重取向在低能耗自旋电子器件开发上起关键作用。2005年，这个研究小组又采用飞秒级的圆偏振激光脉冲通过逆法拉第效应来控制DyFeO₃单晶体的自旋运动，这种光磁效应是瞬时的，为超快激光在磁性器件上的应用研究奠定了基础。Y. Tokunaga先后在2008年和2009年报道了DyFeO₃和GdFeO₃中的多铁性，这使RFeO₃在数据存储器件方面有着潜在的应用。以上的诸多应用都离不开高质量、大尺寸的晶体，因此对大尺寸晶体的生长有着很重要的意义。

RFeO₃系列晶体长期以来主要采用助熔剂法生长，其中使用较多的PbO和BaO基复合助熔剂。助熔剂法生长RFeO₃晶体存在着较多缺陷，助熔剂能够降低融化温度，但是助熔剂的含量非常高，熔质所占的质量分数一般只有10％－15％，致使熔质结晶量很少，得不到大的结晶颗粒，不仅晶体的尺寸很小，而且相关系非常复杂，极易出现PbFe₁₂O₁₉等包裹相。此外，铁的氧化物对贵重金属坩埚的腐蚀很难避免, 铅、钡氧化物对环境的污染也不可忽视。

我们采用光学浮区法制备超大尺寸RFeO₃系列单晶，特殊的原料棒高温预处理方法使得所制备的单晶尺寸超过了光学浮区法的设计极限（15 mm），为制备接近一英寸的超大直径单晶奠定了技术基础。其优势在于无腐蚀、无污染、晶体完整性好、质量很高、晶体生长效率高、可重复性好，克服了助溶剂法无法生长大尺寸单晶的弊端。

发明内容

本发明的目的是提供一种超大稀土正铁氧体光磁功能晶体的方法，该方法的具体步骤如下：

A.      多晶棒的制备

a)        初始原料采用高纯（3N以上）R₂O₃ (R=Sm、Tb)、Pr₆O₁₁和Fe₂O₃；将Sm₂O₃、Tb₂O₃与 Fe₂O₃按摩尔比1:1:2制备Sm_0.5Tb_0.5FeO₃作为料棒即上棒；以及Pr₆O₁₁和Fe₂O₃按摩尔比1:3制备PrFeO₃作为籽晶即下棒；按上述成份配比精确称量、研磨、充分混合；置于高温炉内在1000 ℃温度下空气中烧结12 h，随炉自然降至室温；

b)        将预烧结的原料用玛瑙研钵研磨，再将多晶料放入模具中，在50-200 MPa压力下等静压成型，分别制备出直径6~8 mm、长度约25 mm的PrFeO₃籽晶棒和直径20 mm、长度约为40-120 mm的目标材料Sm_0.5Tb_0.5FeO₃原料棒；

c)        将上述Sm_0.5Tb_0.5FeO₃下端抛磨成圆锥状，锥角控制在45-60°范围内，作为上棒，最细部分直径与下棒PrFeO₃一致以方便对接；

B.       单晶的生长

a)        采用光学浮区炉，其主要有三个部分构成：加热系统、机械控制系统、气氛控制系统；加热系统是卤素碘钨灯或氙灯，其加热温度分别可达2200 ℃和2800 ℃；

b)        将多晶棒PrFeO₃固定在下面籽晶杆的座台上作为籽晶棒；另外一根Sm_0.5Tb_0.5FeO₃悬挂在上面料杆的挂钩上作为料棒；调整好位置，保证上下棒同轴；

c)        启动旋转系统，转速10~30 rpm，控制空气气流流量在2-6 L/min之间，自动升功率至70%，接近但不达到材料的熔点，对上棒进行预热处理；

d)       继续升功率至75%，待上棒熔化均匀后开始对接，初期扩径阶段，控制生长速率4 mm/h向上生长，此时需逐渐升功率确保上棒直径变大的同时可以熔化均匀，熔区直径与上棒接近时，功率稳定在79%，最后以4 mm/h的速度稳定生长，生长结束后缓慢降至室温；最终制得超大Sm_0.5Tb_0.5FeO₃光磁功能晶体。

附图说明

图1为Sm_0.5Tb_0.5FeO₃晶体的光学浮区法生长装置原理图

图2为制备所得的超大尺寸单晶样品（Sm_0.5Tb_0.5FeO₃）照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

Sm_0.5Tb_0.5FeO₃单晶制备的具体步骤如下：

A.      多晶棒的制备

d)       初始原料采用高纯（3N以上）R₂O₃ (R=Sm、Tb)、Pr₆O₁₁和Fe₂O₃；将Sm₂O₃、Tb₂O₃与 Fe₂O₃按摩尔比1:1:2制备Sm_0.5Tb_0.5FeO₃作为料棒即上棒；以及Pr₆O₁₁和Fe₂O₃按摩尔比1:3制备PrFeO₃作为籽晶即下棒；按上述成份配比精确称量、研磨、充分混合；置于高温炉内在1000 ℃温度下空气中烧结12 h，随炉自然降至室温；

e)        将预烧结的原料用玛瑙研钵研磨，再将多晶料放入模具中，在50-200 MPa压力下等静压成型，分别制备出直径6~8 mm、长度约25 mm的PrFeO₃籽晶棒和直径20 mm、长度约为40-120 mm的目标材料Sm_0.5Tb_0.5FeO₃原料棒；

f)         将上述Sm_0.5Tb_0.5FeO₃下端抛磨成圆锥状，锥角控制在45-60°范围内，作为上棒，最细部分直径与下棒PrFeO₃一致以方便对接；

B.       单晶的生长

a)        采用光学浮区炉，其主要有三个部分构成：加热系统、机械控制系统、气氛控制系统；加热系统是卤素碘钨灯或氙灯，其加热温度分别可达2200 ℃和2800 ℃；图1是Sm0.5Tb0.5FeO3单晶光学浮区生长装置图。

b)        将多晶棒PrFeO₃固定在下面籽晶杆的座台上作为籽晶棒；另外一根Sm_0.5Tb_0.5FeO₃悬挂在上面料杆的挂钩上作为料棒；调整好位置，保证上下棒同轴；

c)        启动旋转系统，转速10~30 rpm，控制空气气流流量在2-6 L/min之间，自动升功率至70%，接近但不达到材料的熔点，对上棒进行预热处理；继续升功率至75%，待上棒熔化均匀后开始对接，初期扩径阶段，控制生长速率4 mm/h向上生长，此时需逐渐升功率确保上棒直径变大的同时可以熔化均匀，熔区直径与上棒接近时，功率稳定在79%，最后以4 mm/h的速度稳定生长，生长结束后缓慢降至室温；最终制得超大Sm_0.5Tb_0.5FeO₃光磁功能晶体；

有关本发明的要点和特点

1)        本发明成功制备了稀土正铁氧体Sm_0.5Tb_0.5FeO₃光磁功能晶体单晶体，所得的单晶（如图2所示）表面不论光洁度、致密度、均匀性都很理想。

2)        针对Sm_0.5Tb_0.5FeO₃单晶材料本身的特点，通过特殊的原料棒高温预处理方法和控制灯丝功率、料棒旋转速度和气氛的流量等工艺参数得到稳定的熔体，从而实现生长超大尺寸Sm_0.5Tb_0.5FeO₃单晶的新方法。

3)        通过该方法生长的Sm_0.5Tb_0.5FeO₃单晶直径超过18 mm、长度大于25 mm。该尺寸已突破了光学浮区法最大设计极限：直径15 mm。 

Claims (1)

1.一种超大稀土正铁氧体光磁功能晶体生长方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

A.      多晶棒的制备

a)        初始原料采用高纯（3N以上）R₂O₃ (R=Sm、Tb)、Pr₆O₁₁和Fe₂O₃；将Sm₂O₃、Tb₂O₃与 Fe₂O₃按摩尔比1:1:2制备Sm_0.5Tb_0.5FeO₃作为料棒即上棒；以及Pr₆O₁₁和Fe₂O₃按摩尔比1:3制备PrFeO₃作为籽晶即下棒；按上述成份配比精确称量、研磨、充分混合；置于高温炉内在1000 ℃温度下空气中烧结12 h，随炉自然降至室温；

b)        将预烧结的原料用玛瑙研钵研磨，再将多晶料放入模具中，在50-200 MPa压力下等静压成型，分别制备出直径6~8 mm、长度约25 mm的PrFeO₃籽晶棒和直径20 mm、长度约为40-120 mm的目标材料Sm_0.5Tb_0.5FeO₃原料棒；

c)        将上述Sm_0.5Tb_0.5FeO₃下端抛磨成圆锥状，锥角控制在45-60°范围内，作为上棒，最细部分直径与下棒PrFeO₃一致以方便对接；

B.       单晶的生长

a)        采用光学浮区炉，其主要有三个部分构成：加热系统、机械控制系统、气氛控制系统；加热系统是卤素碘钨灯或氙灯，其加热温度分别可达2200 ℃和2800 ℃；

b)        将多晶棒PrFeO₃固定在下面籽晶杆的座台上作为籽晶棒；另外一根Sm_0.5Tb_0.5FeO₃悬挂在上面料杆的挂钩上作为料棒；调整好位置，保证上下棒同轴；

c)        启动旋转系统，转速10~30 rpm，控制空气气流流量在2-6 L/min之间，自动升功率至70%，接近但不达到材料的熔点，对上棒进行预热处理；

d)       继续升功率至75%，待上棒熔化均匀后开始对接，初期扩径阶段，控制生长速率4 mm/h向上生长，此时需逐渐升功率确保上棒直径变大的同时可以熔化均匀，熔区直径与上棒接近时，功率稳定在79%，最后以4 mm/h的速度稳定生长，生长结束后缓慢降至室温；最终制得超大Sm_0.5Tb_0.5FeO₃光磁功能晶体。