CN114318535A - 一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶体生长技术领域，公开了一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法。特征是：(1)按照Y3Fe5O12分子式化学计量比分别称量Y2O3和Fe2O3研磨至均匀，烧结得到多晶料；(2)多晶料与助熔剂(比如PbO、Bi2O3)按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金属坩埚内；(3)将坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；(4)升温、保温、化料，待原料完全熔化、达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入气体，诱导快速成核结晶，同时降温实现晶体生长。本方法工艺设备简单，操作方便，可调节多重参数，满足不同成分的晶体生长。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，具体公开了一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法。
背景技术
磁光效应是指光与磁光物质相互作用所产生的各种光学现象，包括法拉第效应、克尔效应、科顿-穆顿效应、塞曼效应以及光磁效应，目前应用最广泛的是法拉第效应和克尔效应。作为一类重要的磁光材料，磁光晶体具有Verdet常数高、光学质量好、导热好和损伤阈值高等优点，广泛应用于调制器、隔离器、环行器、磁光开关、磁光传感器等各种光学器件。其中，钇铁石榴石晶体是红外波段中应用最广的磁光晶体，在5G通讯、电子对抗、激光调制等领域具有重要地位。钇铁石榴石(Y3Fe5O12，简称YIG)具有典型的石榴石型晶体结构，属于立方晶系，理论密度为5.171g/cm3，是一种性能优异的亚铁磁性铁氧体材料。Y3+为非磁性离子，YIG晶体所含的磁性离子只有Fe3+，通过稀土掺杂或置换，可以形成ReIG系列磁光晶体，满足不同应用需求
从相图上看，Y2O3组分的熔点为2425℃，Fe2O3组分的熔点为1539℃，它们可以形成多种化合物，比如YFeO3、Y3Fe5O12(YIG)。其中YIG的熔点为1550℃，并且是非一致熔融化合物，从高温熔体中生长晶体时会发生包晶反应、共晶反应，生成YFeO3、Fe3O4等杂相。因此，各种生长方法都需要添加助熔剂，比如传统助熔剂法、助熔剂-提拉法、助熔剂-下降法等等。目前，使用最多的助熔剂有PbO体系、Bi2O3体系、Fe2O3体系等。虽然助熔剂可以降低生长温度，避开包晶反应、共晶反应生成的杂相，但由于溶质含量少、自发成核、生长缓慢等因素，助熔剂相关方法生长的晶体尺寸都比较小，生长周期长达数十天。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，以解决现有技术中晶体生长周期长的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，采用底部通气诱导成核进行单晶生长，包括以下步骤：
(1)按照Y3Fe5O12分子式化学计量比分别称量Y2O3和Fe2O3研磨至均匀，在1000-1300℃温度下烧结10-15h，得到多晶料；
(2)多晶料与助熔剂(比如PbO、Bi2O3)按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金坩埚内；
(3)将步骤(2)的坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；
(4)炉温设定在1100-1300℃，达到设定温度后保温10～20小时，待原料全部充分熔化并达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入气体，诱导快速成核结晶，同时降温实现晶体生长。
(5)当炉温降到1000℃时停止生长，缓慢降至室温。将坩埚取出并剥离出晶锭，置于硝酸溶液中浸泡数小时，得到钇铁石榴石晶体。
优选的，步骤(2)所述的助熔剂可为PbO、Bi2O3或复合助熔剂，添加量为所述混合物料总质量的60～85％。
优选的，所述的铂金坩埚厚度为0.1-0.3mm，形状为柱状，底部可以是平底或尖底，上面有盖子封口。
优选的，所述的石榴石晶体原料可采用稀土置换，也可以进行离子掺杂。
优选的，步骤(4)所述通入气体为氧气、氮气、空气或惰性气体，流量为1～5L/min。
本技术方案的工作原理和有益效果在于：
本发明通过底部通气诱导成核，快速结晶以获得较大尺寸的YIG晶体，提高晶体产率，克服现有钇铁石榴石晶体制备周期漫长的不足。在助熔剂体系中，作为溶质的YIG是比较容易结晶的。但是由于溶质含量较少，通常只有12-15％，析晶会迅速影响高温溶液的热力学平衡，这就是为什么传统助熔剂法生长周期较长的原因。在坩埚底部通气造成局部急冷，形成晶核，可以实现快速生长，把原15-20天的生长周期缩短到2-3天，从而提高生长效率。
本发明提出一种从快速从高温溶液中生长钇铁石榴石晶体的新方法，此方法不仅可以明显缩短生长周期，而且工艺设备简单，操作方便，工艺参数可调，满足不同组成晶体的生长。
附图说明
图1是此发明方法生长的原生态晶锭；
图2是本发明所生长晶锭剥离后获得的掺铋钇铁石榴石晶体；
图3是本发明所生长晶锭剥离后获得的掺铋钇铁石榴石晶体及XRD衍射图谱。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1
一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，包括以下步骤：
(1)按照Y3Fe5O12分子式化学计量比分别称量Y2O3和Fe2O3研磨至均匀，在1200℃温度下烧结12h，得到多晶料；
(2)多晶料与PbO-Bi2O3混合助熔剂按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金坩埚内；助熔剂添加量为所述混合物料总质量的75％；所述的铂金坩埚厚度为0.15mm，形状为柱状，底部是尖底，上面有盖子封口；
(3)将步骤(2)的坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；
(4)炉温设定在1300℃，达到设定温度后保温12小时，待原料全部充分熔化并达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入氧气，流量为3L/min，诱导快速成核结晶，同时降温生长；
(5)生长40小时，炉温降到1000℃，停止生长，缓慢降至室温。将坩埚取出并剥离出晶锭，置于硝酸溶液中浸泡数小时(3-10h)，得到20×20×25mm的多边形钇铁石榴石晶体。
图1是此发明方法生长的原生态晶锭；
图2是所生长晶锭剥离后获得的掺铋钇铁石榴石晶体；
图3是所生长晶锭剥离后获得的掺铋钇铁石榴石晶体的粉末XRD衍射图谱。
实施例1
一种铽置换钇铁石榴石晶体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Tb3Fe5O12分子式化学计量比分别称量Tb2O3和Fe2O3研磨至均匀，在1150℃温度下烧结12h，得到多晶料；
(2)多晶料与PbO助熔剂按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金坩埚内；助熔剂添加量为所述混合物料总质量的80％；所述的铂金坩埚厚度为0.2mm，形状为柱状，底部是尖底，上面有盖子封口；
(3)将步骤(2)的坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；
(4)炉温设定在1250℃，达到设定温度后保温13小时，待原料全部充分熔化并达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入氮气，流量为2L/min，诱导快速成核结晶，同时降温开始晶体生长。
(5)生长36小时，炉温降到1000℃，停止生长并缓慢降温至室温。将坩埚取出并剥离出晶锭，置于硝酸溶液中浸泡数小时，得到20×15×18mm的多边形铽铁石榴石晶体。
实施例2
一种掺铋钇铁石榴石晶体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Y3-xBixFe5O12，x＝0.2分子式化学计量比分别称量Y2O3、Fe2O3和Bi2O3研磨至均匀，在1100℃温度下烧结12h，得到多晶料；
(2)多晶料与Bi2O3助熔剂按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金坩埚内；助熔剂添加量为所述混合物料总质量的82％；所述的铂金坩埚厚度为0.15mm，形状为柱状，底部是平底，上面有盖子封口；
(3)将步骤(2)的坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；
(4)炉温设定在1200℃，达到设定温度后保温14小时，待原料全部充分熔化并达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入氧气，流量为4L/min，诱导快速成核结晶，同时降温生长，生长周期为60小时；
(5)当炉温降到1000℃可停炉，缓慢降至室温。将坩埚取出并剥离出晶锭，置于硝酸溶液中浸泡数小时，得到10*12*15mm的多边形晶体。采用上述方法生长的晶体光滑无开裂现象，可以作为磁光材料应用。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (5)
1.一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按照Y3Fe5O12分子式化学计量比分别称量Y2O3和Fe2O3研磨至均匀，在1000-1300℃温度下烧结10-15h，得到多晶料；
(2)多晶料与助熔剂按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金坩埚内；
(3)将坩埚置于具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；
(4)炉温设定在1100-1300℃，达到设定温度后保温10～20小时，待原料全部充分熔化并达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入气体，诱导快速成核结晶，同时降温实现晶体生长。
(5)当炉温降到1000℃停止生长，缓慢降至室温；将坩埚取出并剥离出晶锭，置于硝酸溶液中浸泡数小时，得到钇铁石榴石晶体。
2.根据权利要求1所述的一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于，所述的助熔剂可为PbO、Bi2O3或复合助熔剂，添加量为所述混合物料总质量的60～85％。
3.根据权利要求1所述的一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于所述的铂金坩埚厚度为0.1-0.3mm，形状为柱状，底部可以是平底或尖底，上面有盖子封口。
4.根据权利要求1所述的一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于所述的石榴石晶体原料可采用稀土置换，也可以进行离子掺杂。
5.根据权利要求1所述的一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于通入气体为氧气、氮气、空气或惰性气体，流量为1～5L/min。
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