CN110079861B - 磷酸钇锶晶体及其制备方法与应用 - Google Patents

磷酸钇锶晶体及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磷酸钇锶晶体及其制备方法与应用。磷酸钇锶晶体的化学式为Sr3Y(PO4)3，该晶体为非中心对称结构，属于立方晶系‑43m点群。所述的磷酸钇锶晶体的制备方法，包括：合成磷酸钇锶多晶料，升温熔化得到熔化均匀的磷酸钇锶熔液；采用铱金棒或磷酸钇锶晶体作为籽晶，使所述籽晶底端与所述磷酸钇锶熔液刚好接触，采用提拉法进行单晶生长，单晶生长温度1700‑1850℃。所述磷酸钇锶晶体熔点高于1800℃，且从室温到熔点无相变，化学性质稳定，不潮解，因此在高温压电和宽温区非线性光学领域具有明显应用优势。

Description

磷酸钇锶晶体及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及磷酸钇锶晶体及其制备方法与应用，属于光电功能晶体生长及应用技术领域。
背景技术
光电功能晶体材料作为微电子、光电子、通信、航天及现代军事技术等高科技领域中的关键材料受到世界各国的重视。激光和光电子学的发展进一步促进了功能晶体的发展和应用。我国光电功能晶体的研究和应用处于国际前沿，特别是无机非线性光学晶体的研究处于国际领先地位。然而目前可用的光电功能晶体材料有限，急需要探索新型功能晶体材料，以开发新型光电器件，拓展新应用。目前，国际上光电功能晶体竞争激烈，山东大学晶体材料国家重点实验室致力于进一步发展独具特色和优势的光电功能晶体材料。
关于磷酸钇锶晶体，迄今为止未见有研究报道。少量涉及Sr3Y(PO4)3的研究仅限于掺杂不同稀土离子的Sr3Y(PO4)3纳米荧光粉。在Sr3Y(PO4)3粉体合成方面，2008年同济大学Xu Shuai等采用溶液凝胶法制备Eu3+、Tb3+、Ce3+掺杂的Sr3Y(PO4)3，其研究目的集中在掺杂稀土离子的纳米荧光粉发光性质中，并未进行单晶的生长与光电性质及应用研究。参见Journal of Optoelectronics And Advanced Materials Vol.10,No10,October 2008,p2727-2731。申请人为了开发一种新的光电功能晶体材料，特提出本发明。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明的技术任务之一为提供一种新的光电功能晶体材料，即磷酸钇锶晶体；
本发明的技术任务之二是提供所述磷酸钇锶晶体的生长方法；
本发明技术任务之三是提供所述磷酸钇锶晶体的应用。
术语说明：
磷酸钇锶晶体，化学式为Sr3Y(PO4)3，本领域的习惯表达式简写为SYP，Sr3Y(PO4)3和SYP表达方式在本发明中具有相同的含义。
室温：具有本领域公司公知的含义，一般是指25±5℃。
提脱晶体：将晶体提离熔液面。
发明概述
本发明首次生长出具有非中心对称结构的Sr3Y(PO4)3晶体，并研究了该晶体的结构及性质。该晶体属于立方晶系-43m点群，不仅具有较高的光学透过率和较宽的吸收边，而且从室温到熔点无相变，具有压电活性和非线性变频特性，可应用于光电功能器件领域。
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种磷酸钇锶晶体，化学式为Sr3Y(PO4)3，该晶体为非中心对称结构，属于立方晶系-43m点群，晶胞参数为
Figure BDA0002095502360000021
该晶体从室温到熔点无相变。
进一步的，所述磷酸钇锶晶体熔点基本上在1850℃，且从室温到熔点无相变。
更进一步的，所述的磷酸钇锶晶体，光谱分析测得该晶体在480nm-4100nm波段有>80％的高光学透过率。
更进一步的，所述磷酸钇锶晶体，用d33压电测试仪测得该晶体的有效压电常数为deff＝1pC/N-5pC/N。
更进一步的，所述磷酸钇锶晶体，利用谐振反谐振法测算得到该晶体的有效机电耦合系数为keff＝10-30％。
本发明所述的磷酸钇锶晶体采用提拉法生长，其技术关键在于原料的配比，尤其是过量的磷酸根原材料的使用，以及多晶料的合成，并在适当的温度和特定的温场条件下获得满足非线性光学和压电功能材料应用需要的高光学质量单晶。
根据本发明，所述磷酸钇锶晶体的制备方法，包括：
将含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物的原料混合、烧结，合成磷酸钇锶多晶料，升温使磷酸钇锶多晶料熔化，并经反复降温凝结、升温熔化若干次，得到熔化均匀的磷酸钇锶熔液；
其中，根据化学式Sr3Y(PO4)3，所述原料中含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物在化学计量比基础上，按含P化合物质量计使其过量2.5-7.5％质量百分比；
采用铱金棒或磷酸钇锶晶体作为籽晶，使所述籽晶底端与所述磷酸钇锶熔液刚好接触，采用提拉法进行单晶生长，单晶生长温度1700-1850℃，籽晶收颈时提拉速度2-5mm/h，放肩时提拉速度降至0.2-2mm/h，等径生长提拉速度为0.2-1mm/h；晶体生长到所需尺寸时提脱晶体，并在温场内恒温0.5-1h，再以不大于30℃/h的速率降至室温，得到磷酸钇锶晶体。
优选地，所述含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物各自独立地选自相应的氧化物、碳酸盐、磷酸盐、卤化物、硝酸盐、草酸盐和硼酸盐中的至少一种，且含有Sr、Y、P元素的化合物不可以同时为卤化物。
进一步优选的，所述含Sr化合物选自相应的氧化物、碳酸盐、卤化物、硫酸盐或硝酸盐化合物；所述含Y化合物选自相应的氧化物、硝酸盐或磷酸盐；所述含P化合物选自相应的氧化物或磷酸盐。最优选的，所述含Sr化合物为SrCO3，含Y化合物为Y2O3，含P化合物NH4H2PO4或P2O5。
进一步优选的，上述原料中含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物在化学计量比基础上，按含P化合物质量计使其过量3-5％质量百分比。
根据本发明优选的，制备磷酸钇锶多晶料时，原料混合后进行两次高温烧结，以保证晶体的生长质量。所述原料混合、烧结按以下方法进行：将称量好的原料进行研磨并混合均匀后进行一次烧结，烧结温度为800℃-950℃，恒温10-15小时，以分解和去除CO2、NH3和H2O；然后降至室温，将一次烧结的原料进行充分研磨细化并混合均匀，压成圆饼状料块进行二次烧结，烧结温度为1200℃-1400℃，恒温20-40小时，原料经固相反应得到磷酸钇锶多晶料。进一步优选的，上述烧结是将原料置于陶瓷坩埚放入烧结炉中进行。
根据本发明优选的，所述磷酸钇锶多晶料熔化后，反复降温凝结、升温熔化3-4次。对多晶料多次升温熔化再降温凝结，如此反复多次，使熔体中产生的气泡彻底排净，以降低晶体生长缺陷(气泡和包裹体等)提高晶体生长质量。进一步的，所述磷酸钇锶多晶料熔化后反复降温凝结、升温熔化若干次后，再将熔体过热10-20℃，恒温0.5-2小时，使其更进一步熔化均匀。
根据本发明优选的，当使用铱金坩埚时，需要在氮气或者氩气等惰性气氛保护下进行晶体的生长；以防止铱金在高温下发生氧化。特别地，单晶生长炉内氮气或者惰性气体的体积分数为90％-95％。
由于磷酸钇锶晶体的熔点大于铂金熔点(1772℃)，首次生长磷酸钇锶晶体时需采用熔点更高的铱金作为籽晶；制得磷酸钇锶晶体后，选用磷酸钇锶晶体作为籽晶即可。
根据本发明，所述晶体生长过程包括收颈、放肩、等径生长和提脱晶体四个阶段；优选的，收颈阶段中提拉速度控制为2-5mm/h，当籽晶直径收细至0.5-2.0mm时，开始以0.5-5℃/h缓慢降温，进行放肩；放肩阶段将提拉速度降至0.2-2mm/h，当晶体肩部的直径达到所需晶体直径时，再以0-5℃/h的速度升温或降温，进行等径生长,等径生长时提拉速度为0.4-0.7mm/h,转速为4-6r/min；当晶体提拉至所需晶体高度时进行提脱晶体。
进一步优选的，所述提脱晶体方法如下：以10-50℃/h的速率缓慢升高温度，当晶体底部有向内收缩的趋势时，将提拉速度提高至5-20mm/h，提拉晶体使之与熔液脱离。
根据本发明优选的，本发明的磷酸钇锶晶体生长方法还包括退火步骤；所述退火步骤包括：在磷酸钇锶晶体生长完成后，将磷酸钇锶晶体取出，置于高温马弗炉内进行退火，退火温度为1200-1400℃，退火时间为20-30小时。使Sr3Y(PO4)3晶体生长过程中产生的热应力得到充分释放。
根据实际需要，本发明生长Sr3Y(PO4)3晶体尺寸一般为：高度20-50mm，直径15-30mm。该尺寸的Sr3Y(PO4)3晶体生长所需时间一般在4-5天。此处所述晶体的尺寸是指晶体常规直径和总高度。
一个优选的实施方案，所述磷酸钇锶晶体的制备方法，包括步骤如下：
(1)配料
根据磷酸钇锶的化学式Sr3Y(PO4)3，采用化学计量比称取原料SrCO3、Y2O3和NH4H2PO4，然后使NH4H2PO4过量3-7％(以磷酸盐总质量计)；
(2)合成多晶料
将步骤(1)称量好的原料进行研磨和混合均匀后装入陶瓷坩埚内进行一次烧结，烧结温度为800℃-950℃并且恒温10-15小时；然后降至室温，将一次烧结的原料进行充分研磨细化并混合均匀，压成圆饼状料块，放入陶瓷坩埚内进行二次烧结，烧结温度为1200℃-1400℃并且恒温20-40小时，此阶段为固相反应，得到纯的磷酸钇锶多晶料；
(3)多晶料熔化
将步骤(2)合成的磷酸钇锶多晶料放入单晶生长炉内的铱金坩埚中，炉内抽真空并充入保护气体氮气或者氩气，采用中频感应加热方式将磷酸钇锶多晶料升温至熔化，所述多晶料全熔后降温使其凝结，然后再次升温使其全部熔化，如此重复若干次，排净熔体中产生的气泡；然后再将熔体过热10-20℃，恒温0.5-2小时，使其得到熔化均匀的磷酸钇锶熔液；
(4)提拉法晶体生长
采用铱金棒或磷酸钇锶晶体作为籽晶，将籽晶垂直下降到步骤(3)的磷酸钇锶熔液中，使籽晶的底端与熔液垂直且刚好接触，开始进行单晶生长，单晶生长温度1700-1850℃；所述晶体生长过程包括收颈、放肩、等径生长和提脱晶体四个阶段；收颈阶段提拉速度为2-5mm/h，当籽晶直径收细至0.5-2.0mm时开始以0.5-5℃/h缓慢降温，进行放肩；放肩阶段将提拉速度降至0.2-2mm/h，当生长的晶体肩部的直径达到所需晶体直径时，再以0-5℃/h的速度升温或降温，进行等径生长；当晶体提拉至所需晶体高度时进行提脱晶体；提脱晶体后，将晶体在温场内恒温0.5-1h,然后以5-30℃/h的速率降至室温，得到磷酸钇锶晶体；
(5)退火处理
从单晶炉内取出磷酸钇锶晶体后，需要将其放到高温马弗炉内进行退火，退火温度为1200-1400℃，退火时间为20-30小时。
根据本发明，进一步优选的，收颈阶段提拉速度为3-5mm/h,转速为5-10r/min；放肩阶段提拉速度降至0.3-0.8mm/h,转速为4-6r/min；等径生长时提拉速度为0.5-0.6mm/h,转速为5r/min。
根据本发明优选的，所述原料均采用纯度大于99.9％的高纯度原料进行配料；晶体生长所需的原料均可通过常规途径购买。
本发明提供的磷酸钇锶Sr3Y(PO4)3是一种新型光电功能晶体，属于立方晶系-43m点群，具有非中心对称晶体结构特征，具有良好的机械性质和一致熔融的特点，不容易潮解，能够采用提拉法在较短时间内生长出大尺寸优质单晶；由于其非中心对称结构特点，适合用作非线性光学晶体和压电晶体。
本发明提供Sr3Y(PO4)3晶体的如下用途：
本发明Sr3Y(PO4)3晶体作为非线性光学晶体和压电晶体的应用。优选的，所述Sr3Y(PO4)3晶体作为激光基质晶体、非线性频率变化晶体、高温压电晶体的用途。
根据本发明所述的Sr3Y(PO4)3晶体作为非线性光学晶体和压电晶体的应用，进一步详细说明如下：
1、作为非线性光学晶体的应用：
采用X射线定向仪对Sr3Y(PO4)3晶体的结晶学轴定向；将磷酸钇锶晶体通过2090nm激光时可以观察到有绿光输出，该晶体能够实现对2090nm波长激光的有效倍频。其中，选用AgGaS2晶体作为比较，如图4所示。
2、作为压电晶体的应用：
用d33压电测试仪，测得晶体的有效压电常数可达deff＝1pC/N-5pC/N；利用谐振反谐振法，测算得到晶体的有效机电耦合系数可达keff＝10-30％。将不同的Sr3Y(PO4)3晶体切型从室温升至1000℃，观测得到该晶体依然具有压电活性，如图6所示，表明该晶体在压电领域特别是高温压电领域具有潜在应用。其中，所述Sr3Y(PO4)3晶体切型是XZ、XY或ZX切型，或者XZ、XY、ZX切型分别绕X或Y或Z旋转后得到的晶体切型。
进一步的，本发明所述的Sr3Y(PO4)3晶体在制备非线性光学功能器件、压电器件中的应用；优选地，所述非线性光学功能器件包括激光频率变换器、光参量放大器、光参量振荡器或拉曼频率变换器；优选地，所述压电器件包括压电谐振器、振荡器、滤波器、压电换能器、压电式压力传感器、声换能器或超声波传感器。
本发明的技术特点和优良效果：
1、本发明人意外发现，磷酸钇锶晶体与其它同构型化合物不同，其一致熔融区非常窄。本发明创造性地采用含P化合物(磷酸盐或五氧化二磷)过量总质量的2.5-7.5％的方法，获得优质磷酸钇锶单晶，满足光学高质量的要求。经研究发现如果按常规采用化学计量比配料的话则无法长出磷酸钇锶晶体，磷酸盐或五氧化二磷过量偏低时，所得磷酸钇锶晶体品质也达不到光学高质量的要求。
2、本发明的方法中制备多晶料时，将原料混合后进行两次高温烧结，先在低于固相反应温度下进行烧结以分解和去除CO2、NH3和H2O；然后在固相反应温度下进行烧结，使各原料反应生成Sr3Y(PO4)3，制备出高纯度的磷酸钇锶多晶料，以保证后续步骤晶体的生长质量。
3、本发明的方法中，生长磷酸钇锶晶体时需在全熔点下籽晶，为了获得高质量的磷酸钇锶单晶，各阶段的提拉速度和转数需要特别加以控制，这是晶体生长阶段的技术关键。
4、本发明提供了一种新型光电功能晶体Sr3Y(PO4)3。Sr3Y(PO4)3晶体作为一种非线性光学晶体和压电晶体的应用的优势在于晶体的熔点高于1800℃，且从室温到熔点无相变，化学性质稳定，不潮解，是难得的同时具有非中心对称结构且高熔点的化合物，因此在高温压电和宽温区非线性光学领域具有明显优势。此外，该晶体熔体粘度小，晶体生长过程中容易排杂，生长速度快，便于获得高质量的单晶。有利于后续应用研发。
附图说明
图1是Sr3Y(PO4)3晶体的X-射线衍射图谱。
图2是实施例1生长得到Sr3Y(PO4)3晶体照片。
图3是对比例1的方法长出的产物的照片。
图4是实施例1的Sr3Y(PO4)3晶体2090nm倍频数据。AgGaS2晶体作为对比。横坐标是磷酸钇锶晶体和硫镓银晶体样品的粉末粒径，纵坐标为相对强度。
图5是实施例1的Sr3Y(PO4)3晶体透过光谱。
图6是实施例3的Sr3Y(PO4)3晶体XY切型的介电谱。
图7是实施例5的Sr3Y(PO4)3晶体ZX切型压电效应产生的阻抗相角图谱。
图8是对比例2生长的Sr3Y(PO4)3晶体。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不局限于此。实施例中的原料纯度大于99.9％。
实施例1、
(1)以SrCO3、Y2O3和NH4H2PO4为晶体生长原料，按照磷酸钇锶的化学式Sr3Y(PO4)3，采用化学计量比进行配料，进一步的使NH4H2PO4过量磷酸盐总质量的3％；
(2)将步骤(1)配好的原料充分混合均匀后装入氧化铝坩埚内，进行第一次烧结，烧结温度为900℃并且恒温10小时，分解并去除CO2、H2O和NH3；
降温，将一次烧结好的原料充分研磨再次混合均匀后，压成料块，放入氧化铝陶瓷坩埚内进行固相反应，烧结温度为1250℃并且恒温48h，得到所述的磷酸钇锶多晶原料；
(3)把步骤(2)中得到的磷酸钇锶多晶料放入单晶炉内的铱金坩埚中，炉内抽真空并且充入氮气作为保护气体防止铱金坩埚氧化，用中频感应加热将多晶原料升温至熔化，多晶料全熔后降温使其凝结，然后再次升温使其全部熔化，如此反复3次，排除熔体中产生的气泡。之后将熔体过热20℃左右，恒温1小时后，得到熔化均匀的磷酸钇锶熔液；
(4)将铱金棒作为籽晶，缓慢浸入到步骤(3)的多晶熔液中，使籽晶的顶端与熔液垂直且刚好接触为止，开始进行单晶的生长；
单晶生长工艺条件：生长温度1800℃；籽晶收颈时提拉速度控制3～3.5mm/h，转速为5-6r/min；当籽晶直径收细至1mm时，开始以0.5℃/h缓慢降温，进行放肩；放肩时提拉速度降至0.3～0.4mm/h，转速为4-5r/min；当晶体肩部的直径达到预定尺寸20mm时，再以0.3℃/h的速度进行升降温，进行等径生长；等径生长时提拉速度为0.5mm/h，转速为5r/min。晶体生长至高度36mm左右时准备提脱晶体；其提脱过程如下：以20℃/h速率升高温度，当升高温度观察到晶体底部有向内收缩的趋势时，将拉速提高至5mm/h提拉晶体使之与熔液脱离。提脱晶体后，将晶体在温场中恒温1小时，以10℃/h速率降至室温，得到磷酸钇锶晶体。
(5)取出晶体后，将其放到高温电阻炉内进行退火，退火温度为1300℃，退火时间为20小时，使Sr3Y(PO4)3晶体生长过程中产生的热应力充分释放。
所得Sr3Y(PO4)3晶体实物照片如图2所示。
＝27.88°、33.13°和45.74°等处显示特征峰，如图1所示。
所得Sr3Y(PO4)3晶体通过2090nm光时观察到有绿光输出，该晶体能够实现对2090nm波长激光的有效倍频。如图4所示，图中AgGaS2晶体作为对比，说明该Sr3Y(PO4)3晶体在中红外波段能够实现有效倍频。
所述Sr3Y(PO4)3晶体透过光谱如图5所示。在480nm-4100nm波段有＞80％的透过率，表明了生长的晶体具有良好的光学均匀性，且吸收截止边低于180nm，说明此晶体在深紫外波段有潜在的应用。
实施例2、
(1)以SrCO3、Y2O3和P2O5为晶体生长原料，按照磷酸钇锶的化学式Sr3Y(PO4)3，采用化学计量比进行配料，进一步的使P2O5过量总质量的5％；
(2)将步骤(1)配好的原料充分混合均匀后装入氧化铝坩埚内，进行第一次烧结，烧结温度为900℃并且恒温15小时，分解并去除CO2和H2O；
降温，将一次烧结好的原料充分研磨再次混合均匀后，压成料块，放入氧化铝陶瓷坩埚内进行固相反应，烧结温度为1300℃并且恒温48h，得到所述的磷酸钇锶多晶原料；
(3)把步骤(2)中得到的磷酸钇锶多晶料放入单晶炉内的铱金坩埚中，炉内抽真空并且充入氮气作为保护气体防止铱金坩埚氧化，用中频感应加热将多晶原料升温至熔化，多晶料全熔后降温使其凝结，然后再次升温使其全部熔化，如此反复3次，排除熔体中产生的气泡。之后将熔体过热20℃左右，恒温1小时后，得到熔化均匀的磷酸钇锶熔液；
(4)取磷酸钇锶晶体作为籽晶，缓慢浸入到步骤(3)的多晶熔液中，使籽晶的顶端与熔液垂直且刚好接触为止，开始进行单晶的生长；
单晶生长工艺条件：生长温度1800℃；籽晶收颈时提拉速度控制4～4.5mm/h，转速为6.5-7r/min；当籽晶直径收细至1mm时，开始以0.8℃/h缓慢降温，进行放肩；放肩时提拉速度降至0.4～0.5mm/h，转速为5-5.5r/min；当晶体肩部的直径达到预定尺寸20mm时，再以0.2℃/h的速度进行升降温，进行等径生长；等径生长时提拉速度为0.6mm/h，转速为5r/min。晶体生长至高度30mm时准备提脱晶体；其提脱过程如下：以20℃/h速率升高温度，当升高温度观察到晶体底部有向内收缩的趋势时，将拉速提高至6mm/h提拉晶体使之与熔液脱离。提脱晶体后，将晶体在温场中恒温1小时，以15℃/h速率降至室温，得到磷酸钇锶晶体。
(5)取出晶体后，将其放到高温电阻炉内进行退火，退火温度为1300℃，退火时间为20小时，使Sr3Y(PO4)3晶体生长过程中产生的热应力充分释放。
所得Sr3Y(PO4)3晶体尺寸为直径20mm、高度30mm；通过2090nm光时观察到有绿光输出。经测试该晶体透光性在480nm-4100nm波段有＞80％的透过率，光学均匀性好。
对比例1：如实施例1所述，所不同的是步骤(1)中SrCO3、Y2O3和NH4H2PO4原料按照化学式Sr3Y(PO4)3化学计量比进行配料，NH4H2PO4不过量。结果显示：因磷酸钇锶原料熔化后发生组分偏离出现分层现象，下籽晶提拉时无法长出Sr3Y(PO4)3单晶，生长产物照片如图3所示，该产物为Sr3Y(PO4)3多晶。
对比例2：如实施例1所述的方法，所不同的是：步骤(1)中SrCO3、Y2O3和NH4H2PO4原料按照化学式Sr3Y(PO4)3化学计量比进行配料，进一步的使NH4H2PO4原料过量1.5％。
所生长出的晶体品质很差且形状不规则，如图8所示。经研究发现该例中磷酸盐仅过量1.5％不足以补偿晶体生长中由于磷的挥发造成的组分偏离，从而使得磷酸钇锶单晶结晶性差。
实施例3、
将实施例1制备的Sr3Y(PO4)3晶体参考压电物理轴定向后，沿物理轴X和Y方向加工晶片，其厚度方向为X，长度方向为Y，宽度方向为Z，晶片尺寸为：厚×宽×长＝1.2mm×3.5mm×10.0mm，厚度方向晶面镀导电电极。利用阻抗分析仪检测到所述晶片样品的压电谐振和反谐振峰，利用d33测试仪检测到晶片样品的压电电荷产生，说明该晶体在该切向具有压电效应。特别的，当温度升高至1000℃时，依然观测到压电谐振和反谐振峰，说明该晶体可作为高温压电晶体应用。如图6所示。
实施例4、
将实施例2制备的Sr3Y(PO4)3晶体参考压电物理轴定向，沿物理轴X和Z方向加工晶片，其厚度方向为X，长度方向为Z，宽度方向为X，晶片尺寸为：厚×宽×长＝(0.5-1.5)mm×(3.0-4.0)mm×(8.0-12.0)mm，厚度方向晶面镀导电电极。
利用阻抗分析仪检测到所述晶片样品的压电谐振和反谐振峰，说明该晶体在该切向具有压电效应。同实施例3，当温度升高至1000℃时，还可观测到压电谐振峰和反谐振峰，说明该晶体可作为高温压电晶体应用。所述样品的谐振频率和反谐振频率分别出现在881.8kHz和887.8kH处。
实施例5、
将实施例1制备的Sr3Y(PO4)3晶体参考压电物理轴定向，沿物理轴Z和X方向加工晶片，其厚度方向为Z，长度方向为X，宽度方向为Y，晶片尺寸为：厚×宽×长＝1.0mm×3.5mm×10.0mm，厚度方向晶面镀导电电极。
利用阻抗分析仪检测到晶片样品的压电谐振和反谐振峰，利用d33测试仪检测到晶片样品的压电电荷产生，说明该晶体在该方向具有压电效应。升温到1000℃温度下，晶体切型依然具有压电活性，因此可作为高温压电晶体应用。将不同的Sr3Y(PO4)3晶体切型从室温升至1000℃，观测得到该晶体依然具有压电活性，所得阻抗分析图谱如图7所示。
实施例6、
将实施例2制备的Sr3Y(PO4)3晶体参考压电物理轴X、Y和Z轴定向后，沿物理轴X、Y和Z任意旋转θ角度，θ取值为0-180°，制成不同的Sr3Y(PO4)3晶体切型。然后参考实施例3加工晶片样品，晶片尺寸为：厚×宽×长＝(0.5-1.5)mm×(3.0-4.0)mm×(8.0-12.0)mm，厚度方向晶面镀导电电极。
利用阻抗分析仪均能检测到上述不同Sr3Y(PO4)3晶体切型的系列晶片样品的压电谐振和反谐振峰，说明该晶体在空间任意方向上具有压电效应。所述晶体切型在1000℃温度下，同样具有压电活性，因此可作为高温压电晶体应用。

Claims (11)

1.一种磷酸钇锶单晶，化学式为Sr3Y(PO4)3，该晶体为非中心对称结构，属于立方晶系-43m点群，晶胞参数为a=10.0814 Å，b=10.0814 Å ,c=10.0814 Å, a=b=c=90°；该晶体熔点在1850℃，且从室温到熔点无相变；
所述磷酸钇锶单晶，用d 33压电测试仪测得该晶体的有效压电常数为deff=1pC/N-5pC/N；
所述磷酸钇锶单晶，利用谐振反谐振法测算得到该晶体的有效机电耦合系数为keff=10-30%。
2.如权利要求1所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，包括：
将含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物的原料混合、烧结，合成磷酸钇锶多晶料，制备磷酸钇锶多晶料时，原料混合后进行两次高温烧结，所述原料混合、烧结按以下方法进行：将称量好的原料进行研磨并混合均匀后进行一次烧结，烧结温度为800℃-950℃，恒温10-15小时，以分解和去除CO2、NH3和H2O；然后降至室温，将一次烧结的原料进行充分研磨细化并混合均匀，压成圆饼状料块进行二次烧结，烧结温度为1200℃-1400℃，恒温20-40小时，原料经固相反应得到磷酸钇锶多晶料；
升温使磷酸钇锶多晶料熔化，并经反复降温凝结、升温熔化若干次，再将熔体过热10-20℃，恒温0.5-2小时，得到熔化均匀的磷酸钇锶熔液；其中，根据化学式Sr3Y(PO4)3，所述原料中含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物在化学计量比基础上，按含P化合物质量计使其过量2.5-7.5%质量百分比；
采用铱金棒或磷酸钇锶晶体作为籽晶，使所述籽晶底端与所述磷酸钇锶熔液刚好接触，采用提拉法进行单晶生长，单晶生长温度1700-1850℃，籽晶收颈时提拉速度2-5mm/h，放肩时提拉速度降至0.2-2mm/h，等径生长提拉速度为0.2-1mm/h; 晶体生长到所需尺寸时提脱晶体，并在温场内恒温0.5-1h，再以不大于30℃ /h的速率降至室温，得到磷酸钇锶单晶。
3.如权利要求2所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，其特征在于所述含Sr化合物、含Y化合物和含P化合物各自独立地选自相应的氧化物、碳酸盐、磷酸盐、卤化物、硝酸盐、草酸盐和硼酸盐中的至少一种，且含有Sr、Y、P元素的化合物不同时为卤化物。
4.如权利要求2所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，其特征在于所述含Sr化合物选自相应的氧化物、碳酸盐、卤化物、硫酸盐或硝酸盐化合物；所述含Y化合物选自相应的氧化物、硝酸盐或磷酸盐；所述含P化合物选自相应的氧化物或磷酸盐。
5.如权利要求2所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，其特征在于，所述磷酸钇锶多晶料熔化后，反复降温凝结、升温熔化3-4次。
6.如权利要求2所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，其特征在于，所述晶体生长过程包括收颈、放肩、等径生长和提脱晶体四个阶段；所述收颈阶段中提拉速度控制为2-5mm/h，当籽晶直径收细至0.5-2.0mm时，开始以0.5-5℃ /h缓慢降温，进行放肩；放肩阶段将提拉速度降至0.2-2mm/h，当晶体肩部的直径达到所需晶体直径时，再以0-5℃/h的速度升温或降温，进行等径生长, 等径生长时提拉速度为0.4-0.7mm/h,转速为4-6r/min；当晶体提拉至所需晶体高度时进行提脱晶体。
7.如权利要求6所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，其特征在于，所述提脱晶体方法如下：以10-50℃/h的速率缓慢升高温度，当晶体底部有向内收缩的趋势时，将提拉速度提高至5-20mm/h，提拉晶体使之与熔液脱离。
8.如权利要求2所述的磷酸钇锶单晶的制备方法，其特征在于，还包括退火步骤：在磷酸钇锶晶体生长完成后，将磷酸钇锶晶体取出，置于高温马弗炉内进行退火，退火温度为1200-1400℃，退火时间为20-30小时。
9.权利要求1所述磷酸钇锶单晶作为压电晶体的应用。
10.如权利要求9所述的磷酸钇锶单晶作为压电晶体的应用，其特征在于，所述Sr3Y(PO4)3单晶作为高温压电晶体的用途。
11.如权利要求9所述的磷酸钇锶单晶作为压电晶体的应用，其特征在于，所述的Sr3Y(PO4)3单晶在制备压电器件中的应用；所述压电器件包括压电换能器、压电式压力传感器、声换能器或超声波传感器。
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