CN106884206A - 一种有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶体生长技术领域,涉及一种籽晶的生长方法,尤其是一种有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,用于高质量有机晶体生长场合,解决自发成核过程中晶核品质和数量难以控制,晶核之间易粘连的难题,实现自发成核过程中晶核品质和数量可控,有效避免晶核之间的粘连,提高籽晶的品质;先将有机晶体原料与有机溶剂混合,再进行抽滤和热处理,然后在育晶缸中保温,再缓慢降温,当溶液温度降至亚稳区间时,放入晶体薄片,并进一步降低降温速率,制得籽晶,其原理可靠,操作简单,品质好,效率高,对于光电子类新材料制备领域具有举足轻重的作用,能够用于制备光电子器件,具有良好的经济效益和广阔的市场前景。
Description
技术领域:
本发明属于晶体生长技术领域,涉及一种籽晶的生长方法,尤其是一种有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,用于高质量有机晶体生长及光电子器件制备场合。
背景技术:
与目前研究的无机晶体(如LiNbO3、GaAs及InP)相比,有机非线性光学晶体(如(4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐,简称DAST)、(4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶2,4,6-甲基苯磺酸盐,简称DSTMS)以及(2,3,4-羟乙基5,5-二甲基苯胺(2-亚乙基)丙二腈,简称OH1))具有较大的二阶非线性光学系数、电光系数以及较低的介电常数,在高效太赫兹波的产生与探测、光电转换、电光取样、毫米波监测、倍频及光学参数发生方面具有广阔的应用前景;另外,有机晶体的结构易裁剪,设计空间大,电子响应速度快,更能满足未来超高宽带光子器件的使用需求;而实现有机非线性光学晶体的应用的关键是制备出高质量、大尺寸晶体,但现有的晶体生长技术仍存在较难解决的问题,制约了晶体应用技术的进展。目前主要使用的有机晶体制备方法有两种:一种是自发成核法,另一种是籽晶法。利用自发成核法生长出的晶体质量不理想,主要原因在于生成的晶核落在容器底部,随着晶核长大,与底部容器的接触面积变大,导致底部晶面溶液传质过程进行不充分,易产生晶体缺陷;日本学者在容器底部放置刻有凹槽的斜板,能使部分晶核滑落在凹槽处直立生长,但仍然无法控制大部分晶核生成时的数量和位置,且在凹槽处生长的晶体还会受到与之接触部分应力的作用,影响晶体质量。现有技术中,中国专利CN103305919B公开了一种有机非线性光学晶体的生长方法,先将DAST晶体生长原料干燥后溶于无水甲醇溶液中,配制成DAST甲醇溶液,再将DAST甲醇溶液加热过滤后转入广口瓶中;然后将聚四氟乙烯放入广口瓶后密封广口瓶;再将广口瓶放置在密封的水浴加热装置中保温后降温,直至DAST晶体不再生长时,将DAST晶体取出,其能够生长得到表面积较大且厚度较厚的DAST晶体,但晶体质量仍需进一步提高。籽晶法能够生长出高质量、大尺寸晶体,但其关键是获得高品质的籽晶,而获得籽晶仍需采用上述自发成核法,通过降低生长溶液的温度,使其在较大过饱和度下自发成核,但溶液中成核的数量和位置难以有效控制,且易产生晶核团聚,破坏单晶生长。因此,寻求简便、高效、通用的籽晶制备方法仍是一项亟待解决的重要课题。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,寻求一种有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,解决自发成核过程中晶核品质和数量难以控制,晶核之间易粘连的难题,实现自发成核过程中晶核品质和数量可控,有效避免晶核之间的粘连,提高籽晶的品质。
为了实现上述目的,本发明涉及的有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,通过在饱和溶液中引入一定数量的晶核,诱导生成数量较多且分散性较好的晶核,并生长为形状规则、品质较高的籽晶,有效改善自发成核法生长有机晶体的质量,增大晶体生长尺寸,其具体工艺制备过程包括以下步骤:
(1)配制晶体生长溶液:将纯度高于99.5%的有机晶体原料溶于有机溶剂中,搅拌均匀,配制成一定容量的晶体生长溶液,晶体生长溶液的容量不超过育晶缸的容积,其浓度为2~6g/100ml;其中,有机晶体原料为DAST、DSTMS和OH1中任意一种;有机溶剂为无水甲醇和无水乙醇中任意一种,纯度为95%以上;
(2)抽滤:利用微孔滤膜抽滤步骤(1)中得到的晶体生长溶液,将滤液倒入育晶缸,加热滤液,使其在高于平衡温度5~15℃下保温1~2天;
(3)育晶:将育晶缸中晶体生长溶液的温度稳定在平衡温度以上1~5℃,保温10~24h;
(4)选取有机晶体薄片:利用自发成核法获得有机晶体的微晶,从微晶中选择形状规整,无明显宏观缺陷的有机晶体薄片用于培育籽晶,有机晶体薄片的化学成分与有机晶体原料的组分一致,其尺寸为(0.5~2)×(0.5~2)×(0.05~0.1)mm3;
(5)放入有机晶体薄片:将步骤(3)中的晶体生长溶液以0.1~0.3℃/天的速度降温,当温度降至溶液亚稳区间内时,缓慢放入数颗步骤(4)中选取的有机晶体薄片,其颗数依据育晶缸容积及所配制的晶体生长溶液的浓度进行调整;
(6)制得籽晶:将步骤(5)中的晶体生长溶液以0.05~0.1℃/天的速度缓慢降温,10~25天后得到数颗有机晶体的籽晶,有机晶体的籽晶的形貌规整,质量较高,有机晶体的籽晶的透过率大于65%,尺寸为(1~4)×(1~4)×(0.2~0.5)mm3。
所述有机溶剂优选为无水甲醇;所述微孔滤膜的孔径范围为0.15~0.80μm,优选为0.45μm;
本发明与现有技术相比,其原理可靠,操作简单,品质好,效率高,能够有效控制籽晶生成过程中的形貌和质量,高品质籽晶数量较多,籽晶生长的成功率高,对于光电子类新材料制备领域具有举足轻重的作用,能够用于制备光电子器件,具有良好的经济效益和广阔的市场前景。
附图说明:
图1为本发明涉及的有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法的流程框图。
图2为实施例1涉及的有机DAST晶体薄片的结构原理示意图。
图3为实施例1涉及的有机DAST晶体籽晶的结构原理示意图。
图4为实施例1涉及的有机DAST晶体籽晶的光学显微图。
图5为实施例1涉及的有机DAST晶体籽晶的透过率图。
具体实施方式:
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例1:
本实施例涉及的有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,其具体工艺制备过程包括以下步骤为:
(1)配制晶体生长溶液:将纯度为99.8%的有机DAST晶体原料溶于纯度为95%的无水甲醇中,搅拌均匀,配制成容量为500ml,浓度为2g/100ml的晶体生长溶液;
(2)抽滤:利用孔径为0.15μm的微孔滤膜抽滤步骤(1)中得到的晶体生长溶液,将滤液倒入育晶缸,加热滤液,使其在高于平衡温度5℃下保温1天;
(3)育晶:将育晶缸中晶体生长溶液的温度稳定在平衡温度以上2℃,保温10h;
(4)选取有机晶体薄片:利用自发成核法获得有机DAST晶体的微晶,从微晶中选择形状规整,无明显宏观缺陷的有机DAST晶体薄片用于培育籽晶,有机DAST晶体薄片的尺寸为(0.5~2)×(0.5~2)×(0.05~0.1)mm3;
(5)放入有机晶体薄片:将步骤(3)中的晶体生长溶液以0.1℃/天的速度降温,当温度降至溶液亚稳区间内时,缓慢放入2颗步骤(4)中挑选的形状规整的有机晶体薄片;
(6)制得籽晶:将步骤(5)中的晶体生长溶液以0.1℃/天的速度缓慢降温,20天后得到12颗DAST晶体籽晶,籽晶的形貌规整,质量较高,籽晶的透过率大于65%,尺寸为(2~4)×(2~4)×(0.2~0.5)mm3。
实施例2:
本实施例涉及的有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,其具体工艺制备过程包括以下步骤为:
(1)配制晶体生长溶液:将纯度为99.5%的有机DSTMS晶体原料溶于纯度为98%的无水乙醇中,搅拌均匀,配制成容量为300ml,浓度为6g/100ml的晶体生长溶液;
(2)抽滤:利用孔径为0.45μm的微孔滤膜抽滤步骤(1)中得到的晶体生长溶液,将滤液倒入育晶缸,加热滤液,使其在高于平衡温度10℃下保温2天;
(3)育晶:将育晶缸中晶体生长溶液的温度稳定在平衡温度以上5℃,保温15h;
(4)选取有机晶体薄片:利用自发成核法获得有机DSTMS晶体的微晶,从微晶中选择形状规整,无明显宏观缺陷的有机晶体薄片用于培育籽晶,有机晶体薄片的尺寸为(0.5~2)×(0.5~2)×(0.05~0.1)mm3;
(5)放入有机晶体薄片:将步骤(3)中的晶体生长溶液以0.15℃/天的速度降温,当温度降至亚稳区间内时,缓慢放入5颗步骤(4)中挑选的形状规整的有机晶体薄片;
(6)制得籽晶:将步骤(5)中的晶体生长溶液以0.05℃/天的速度缓慢降温,25天后得到17颗有机DSTMS晶体籽晶,籽晶的形貌规整,质量较高,籽晶的透过率大于70%,尺寸为(1~3)×(1~3)×(0.2~0.5)mm3。
实施例3:
本实施例涉及的有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,其具体工艺制备过程包括以下步骤为:
(1)配制晶体生长溶液:将纯度为99.7%的有机OH1晶体原料溶于纯度为99%的无水甲醇中,搅拌均匀,配制成容量为600ml,浓度为5g/100ml的晶体生长溶液;
(2)抽滤:利用孔径为0.80μm的微孔滤膜抽滤步骤(1)中得到的晶体生长溶液,将滤液倒入育晶缸,加热滤液,使其在高于平衡温度15℃下保温1.5天;
(3)育晶:将育晶缸中晶体生长溶液的温度稳定在平衡温度以上1℃,保持24h;
(4)选取有机晶体薄片:利用自发成核法获得有机OH1晶体的微晶,从微晶中选择形状规整,无明显宏观缺陷的有机晶体薄片用于培育籽晶,有机晶体薄片的尺寸为(0.5~2)×(0.5~2)×(0.05~0.1)mm3;
(5)放入有机晶体薄片:将步骤(3)中的晶体生长溶液以0.3℃/天的速度降温,当温度降至溶液亚稳区间内时,缓慢放入10颗步骤(4)中挑选的形状规整的有机晶体薄片;
(6)制得籽晶:将步骤(5)中的晶体生长溶液以0.075℃/天的速度缓慢降温,10天后得到25颗OH1晶体籽晶,籽晶的形貌规整,质量较高,籽晶的透过率大于75%,尺寸为(1~3)×(1~3)×(0.2~0.5)mm3。
本发明并不局限于上述实施例,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,其特征在于具体工艺制备过程包括以下步骤:
(1)配制晶体生长溶液:将纯度高于99.5%的有机晶体原料溶于有机溶剂中,搅拌均匀,配制成一定容量的晶体生长溶液,晶体生长溶液的容量不超过育晶缸的容积,其浓度为2~6g/100ml;其中,有机晶体原料为DAST、DSTMS和OH1中任意一种;有机溶剂为无水甲醇和无水乙醇中任意一种,纯度为95%以上;
(2)抽滤:利用微孔滤膜抽滤步骤(1)中得到的晶体生长溶液,将滤液倒入育晶缸,加热滤液,使其在高于平衡温度5~15℃下保温1~2天;
(3)育晶:将育晶缸中晶体生长溶液的温度稳定在平衡温度以上1~5℃,保温10~24h;
(4)选取有机晶体薄片:利用自发成核法获得有机晶体的微晶,从微晶中选择形状规整,无明显宏观缺陷的有机晶体薄片用于培育籽晶,有机晶体薄片的化学成分与有机晶体原料的组分一致,其尺寸为(0.5~2)×(0.5~2)×(0.05~0.1)mm3;
(5)放入有机晶体薄片:将步骤(3)中的晶体生长溶液以0.1~0.3℃/天的速度降温,当温度降至溶液亚稳区间内时,缓慢放入数颗步骤(4)中选取的有机晶体薄片,其颗数依据育晶缸容积及所配制的晶体生长溶液的浓度进行调整;
(6)制得籽晶:将步骤(5)中的晶体生长溶液以0.05~0.1℃/天的速度缓慢降温,10~25天后得到数颗有机晶体的籽晶,有机晶体的籽晶的形貌规整,质量较高,有机晶体的籽晶的透过率大于65%,尺寸为(1~4)×(1~4)×(0.2~0.5)mm3。
2.如权利要求1所述的有机非线性光学晶体用籽晶的生长方法,其特征在于所述微孔滤膜的孔径范围为0.15~0.80μm。
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