CN105220231B - 一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用，所述硅硼酸铽晶体的化学式是Tb5Si2BO13，其空间群是P63/m，晶胞参数是a＝0.92569(10)nm，c＝0.68297(12)nm，Z＝2。本发明采用助熔剂法和熔体提拉法生长制备的硅硼酸铽磁光晶体在500～1500nm有较好的透过率，经计算在633nm的Verdet常数为‑190rad/m.T，在空气中稳定，不易潮解，不溶于水。硅硼酸铽磁光晶体在2～300K呈现顺磁性，可用于产生法拉第旋光效应，在光学和通讯领域有重要应用，例如：用于制作磁光隔离器。
Description
技术领域
本发明属于磁光晶体制备技术领域，具体地，本发明涉及了一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用。
背景技术
自20世纪60年代以来，磁光材料由于其自身优良的磁光效应而一直是世界各国科学家研究的热点，被广泛用作磁光调制器、磁光传感器、磁光隔离器和磁光开关等，是一种极其重要材料。
磁光材料既可以是磁光玻璃，也可以是磁光晶体。虽然磁光玻璃的应用很广泛，但是其Verdet常数不大，无法同商业的磁光晶体相比。商业化的磁光晶体主要有两种：第一种是钇铁石榴石(YIG)，其只能应用于红外波段，无法应用于可见波段；第二种是铽镓石榴石(TGG)，其在633nm的Verdet常数只有-134rad/m.T，仍不是很大，而且在TGG的生长过程中，组分之一的氧化镓(Ga2O3)易挥发，所以很难得获得品质优良的TGG晶体。此外，TGG晶体的原料很昂贵，也导致了其成本较高。
基于上述磁光材料的不足，我们把重点关注在了磷灰石型稀土硅酸盐(apatite)，这是由于apatite中的稀土含量较高，并且结构属于六方晶系同时含有对称中心。Ln5Si2BO13的多晶粉末(Ln＝La,Pr,Nd,Sm-Gd,Dy)已有报道(S.Asiri Naidu,U.V.Varadaraju,B.Raveau,Journal of Solid State Chemistry183(2010)1847–1852)。但Ln5Si2BO13的单晶尚未报道。
发明内容
本发明的目的在，提供了一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用，该磁光晶体可用于可见近红外波段，透过范围宽(500～1500nm)，633nm的Verdet常数为-190rad/m.T。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种硅硼酸铽磁光晶体，所述硅硼酸铽的化学式是Tb5Si2BO13(简写为TSBO)，所述硅硼酸铽晶体属六方晶系，空间群是P63/m，晶胞参数为：a＝0.92569(10)nm，c＝0.68297(12)nm，Z＝2。
本发明所述晶体在500～1500nm波段具有90％以上的透过率。
本发明所述晶体在波长为633nm光时，其Verdet常数为-190rad/m.T。
本发明还提供一种硅硼酸铽磁光晶体的制备方法，所述方法采用助熔剂法或者熔体提拉法生长晶体。
进一步地，所述助溶剂法生长晶体的步骤包括：
将含Tb的化合物：含Si的化合物：含B的化合物：含Pb的化合物按照Tb：Si：B：Pb元素摩尔比为5：2～5：5～10：50～80的比例均匀混合研磨，装入铂坩埚，升温至1100～1200℃，保温24h，然后5～10℃/h的速度降至室温，得到硅硼酸铽磁光晶体。
进一步地，所述熔体提拉法生长晶体的步骤包括：
1)将含Tb的化合物：含Si的化合物：含B的化合物按照Tb：Si：B元素摩尔比为5～8：1～1.5：2～4的比例混合研磨，装入铂坩埚中，放入硅钼棒炉中烧至1200℃，得到生长所需的原料；
2)将生长所需的原料装入铱坩埚中，放入提拉炉中，并充入高纯N2保护，加热至熔融，搅拌24～48小时，在混合熔体温度高于饱和点温度1～5℃时，将末端装有籽晶的籽晶杆从生长炉内放入，使其接触熔液表面或者使其伸入到熔体内；
3)下籽晶10～60分钟后，将温度降至饱和点温度，同时以30～120转/分的旋转速率旋转籽晶杆，然后以1～5℃/天的速率降温，以0.02～0.5mm/h的提拉速度提拉，待晶体长到毫米级尺寸时，将晶体提离液面，以2～100℃/h的速率降至室温，得到硅硼酸铽磁光晶体。
优选地，所述含Tb的化合物为铽的氧化物、铽的硝酸盐、铽的硫酸盐和铽的卤化物中的一种。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含铽的其他化合物。
优选地，所述含B的化合物为硼酸或氧化硼。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含硼的其他化合物。
优选地，所述含Si的化合物为硅的氧化物、硅的氢氧化物、单质硅、硅的有机酯和硅的卤化物中的一种。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含硅的其他化合物。
优选地，所述含Pb的化合物为氧化铅、二氧化铅或卤化铅。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含铅的其他化合物。
本发明更进一步提供了硅硼酸铽磁光晶体的应用，将该磁光晶体用于制作磁光器件。
本发明的硅硼酸铽磁光晶体在光学和通讯领域具有重要应用，比如用于制作磁光器件，所述的磁光器件为磁光隔离器、磁光调制器、磁光传感器或磁光开关中的一种。
本发明制备的磁光晶体在2～300K呈现顺磁性，可产生法拉第旋光效应，在空气中稳定，不易潮解，不溶于水。
附图说明
图1是本发明硅硼酸铽晶体c方向的结构示意图；
图2是本发明硅硼酸铽晶体的XRD图；
图3是本发明硅硼酸铽粉末的M-T图；
图4是本发明硅硼酸铽晶体的紫外可见漫反射光谱；
图5是本发明测量硅硼酸铽磁光晶体产生磁光的系统结构示意图；
附图标记：1、激光光源；2、偏振片；3、电磁铁；4、硅硼酸铽晶体；5、直流电源。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1助溶剂法生长硅硼酸铽磁光晶体(Tb5Si2BO13)
所用原料(分析纯)：Tb4O70.0125mol、H3BO30.05mol、SiO20.02mol、PbO0.5mol。
具体步骤如下：将上述原料称量好后，放入研钵中混合研磨，然后装入φ20mm×20mm铂坩埚中，加热至1100℃原料完全熔化，保温24小时，然后5℃/小时的速率降温，得到0.5mm×0.5mm×0.2mm的晶体。
实施例2助溶剂法生长硅硼酸铽磁光晶体(Tb5Si2BO13)
所用原料(分析纯)：硝酸铽0.05mol、B2O30.05mol、H4SiO40.05mol、PbO20.8mol。
具体步骤如下：将上述原料称量好后，放入研钵中混合研磨，然后装入φ20mm×20mm铂坩埚中，加热至1200℃原料完全熔化，保温24小时，然后10℃/小时的速率降温，得到0.5mm×0.5mm×0.2mm的晶体。
实施例3助溶剂法生长硅硼酸铽磁光晶体(Tb5Si2BO13)
所用原料(分析纯)：Tb2O30.025mol、H3BO30.1mol、SiO0.03mol、PbF20.7mol。
具体步骤如下：将上述原料称量好后，放入研钵中混合研磨，然后装入φ20mm×20mm铂坩埚中，加热至1000℃原料完全熔化，保温24小时，然后7℃/小时的速率降温，得到0.5mm×0.5mm×0.2mm的晶体。
实施例4熔体提拉法生长硅硼酸铽磁光晶体(Tb5Si2BO13)
所用原料(分析纯)：Tb4O71mol、H3BO31.6mol、SiO20.8mol。
将上述原料称量好后，放入研钵中混合研磨，然后装入φ60mm×60mm铂坩埚中，放入硅钼棒炉中烧至1200℃，得到生长所需的原料。再将生长所需的原料装入φ60mm×60mm铱坩埚中，放入提拉炉中，并充入高纯N2保护。加热至完全融化，搅拌24小时，熔体温度高于饱和点温度1℃时下籽晶：将籽晶固定在籽晶杆末端，将籽晶杆从生长炉内放入，使其接触熔液表面或者使其伸入到熔液内部；下籽晶后1小时，将温度降至饱和点温度，同时以50转/分的旋转速率旋转籽晶杆，然后以0.2℃/天的速率降温，以0.05mm/h的提拉速度提拉，晶体逐渐长大，待晶体长到一定尺寸时，将晶体提离液面，以10℃/h的速率降至室温，得到2.4×2.2×2.8cm3的晶体。
实施例5熔体提拉法生长硅硼酸铽磁光晶体(Tb5Si2BO13)
所用原料(分析纯)：Tb2O34.64mol、B2O32.32mol、SiO21.74mol。
将上述原料称量好后，放入研钵中混合研磨，然后装入φ80mm×80mm铂坩埚中，放入硅钼棒炉中烧至1200℃，得到生长所需的原料。再将生长所需的原料装入φ80mm×80mm铱坩埚中，放入提拉炉中，并充入高纯N2保护。加热至完全融化，搅拌48小时，熔体温度高于饱和点温度5℃时下籽晶：将籽晶固定在籽晶杆末端，将籽晶杆从生长炉内放入，使其接触熔液表面或者使其伸入到熔液内部；下籽晶后50分钟后，将温度降至饱和点温度，同时以120转/分的旋转速率旋转籽晶杆，然后以1℃/天的速率降温，以0.02mm/h的提拉速度提拉，晶体逐渐长大，待晶体长到一定尺寸时，将晶体提离液面，以100℃/h的速率降至室温，得到3.4×2.5×2.8cm3的晶体。
实施例6熔体提拉法生长硅硼酸铽磁光晶体(Tb5Si2BO13)
所用原料(分析纯)：无水硝酸铽0.75mol、H3BO30.3mol、H2SiO30.125mol。
将上述原料称量好后，放入研钵中混合研磨，然后装入φ60mm×60mm铂坩埚中，放入硅钼棒炉中烧至1200℃，得到生长所需的原料。再将生长所需的原料装入φ20mm×20mm铱坩埚中，放入提拉炉中，并充入高纯N2保护。加热至完全融化，搅拌30小时，熔体温度高于饱和点温度3℃时下籽晶：将籽晶固定在籽晶杆末端，将籽晶杆从生长炉内放入，使其接触熔液表面或者使其伸入到熔液内部；下籽晶后10分钟后，将温度降至饱和点温度，同时以30转/分的旋转速率旋转籽晶杆，然后以1℃/天的速率降温，以0.5mm/h的提拉速度提拉，晶体逐渐长大，待晶体长到一定尺寸时，将晶体提离液面，以2℃/h的速率降至室温，得到1.4×1.2×1.8cm3的晶体。
磁光晶体特性测试
采用常规方法进行晶胞结构测定，结果如图1所示，由图1可以得出，所述硅硼酸铽晶体属六方晶系，空间群是P63/m，晶胞参数为：a＝0.92569(10)nm，c＝0.68297(12)nm，Z＝2。
将本发明制备得到的磁光晶体研磨成粉末后采用X射线粉末衍射仪进行常温XRD测试，如图2所示，结果表明所获得的单晶为Tb5Si2BO13，无其他杂相物质存在。
将本发明制备得到的磁光晶体研磨成粉末后所得的粉末采用常规方法(外加磁场为500oe，从2K～300K测试其磁化率)进行磁性测试。磁化率与温度曲线(M-T图)如图3所示，结果表明Tb5Si2BO13在所测温区有着较好的顺磁性。
在室温下，采用常规方法对晶体进行紫外可见漫反射测试，结果如图4所示，结果表明，本发明硅硼酸铽磁光晶体在500～1500nm的透过率良好(在90％以上)，具有较高的使用价值。
采用消光法在自制测量系统(如图5所示)测量了本发明磁光晶体，经过测量得出633nm的Verdet常数为-190rad/m.T。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种硅硼酸铽磁光晶体，其特征在于，所述硅硼酸铽的化学式是Tb5Si2BO13，所述硅硼酸铽晶体属六方晶系，空间群是P63/m，晶胞参数为：a＝0.92569(10)nm，c＝0.68297(12)nm，Z＝2。
2.如权利要求1所述的硅硼酸铽磁光晶体，其特征在于，所述晶体在500～1500nm波段具有90％以上的透过率。
3.如权利要求1所述的硅硼酸铽磁光晶体，其特征在于，所述晶体在波长为633nm光时，其Verdet常数为-190rad/m.T。
4.权利要求1所述的一种硅硼酸铽磁光晶体的制备方法，所述方法采用助熔剂法或者熔体提拉法生长晶体。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述助熔剂 法生长晶体的步骤包括：
将含Tb的化合物：含Si的化合物：含B的化合物：含Pb的化合物按照Tb：Si：B：Pb元素摩尔比为5：2～5：5～10：50～80的比例均匀混合研磨，装入铂坩埚，升温至1100～1200℃，保温24h，然后5～10℃/h的速度降至室温，得到硅硼酸铽磁光晶体。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔体提拉法生长晶体的步骤包括：
1)将含Tb的化合物：含Si的化合物：含B的化合物按照Tb：Si：B元素摩尔比为5～8：1～1.5：2～4的比例混合研磨，装入铂坩埚中，放入硅钼棒炉中烧至1200℃，得到生长所需的原料；
2)将生长所需的原料装入铱坩埚中，放入提拉炉中，并充入高纯N2保护，加热至熔融，搅拌24～48小时，在混合熔体温度高于饱和点温度1～5℃时，将末端装有籽晶的籽晶杆从生长炉内放入，使其接触熔液表面或者使其伸入到熔体内；
3)下籽晶10～60分钟后，将温度降至饱和点温度，同时以30～120转/分的旋转速率旋转籽晶杆，然后以1～5℃/天的速率降温，以0.02～0.5mm/h的提拉速度提拉，待晶体长到毫米级尺寸时，将晶体提离液面，以2～100℃/h的速率降至室温，得到硅硼酸铽磁光晶体。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含Pb的化合物为氧化铅、二氧化铅或卤化铅。
8.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述含Tb的化合物为铽的氧化物、铽的硝酸盐、铽的硫酸盐和铽的卤化物中的一种；
所述含B的化合物为硼酸或氧化硼；
所述含Si的化合物为硅的氧化物、硅的氢氧化物、单质硅、硅的有机酯和硅的卤化物中的一种。
9.权利要求1所述硅硼酸铽磁光晶体的应用，其特征在于，所述磁光晶体用于制作磁光器件。
10.如权利要求9所述硅硼酸铽磁光晶体的应用，其特征在于，所述的磁光器件为磁光隔离器、磁光调制器、磁光传感器或磁光开关。
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