CN115261989A - 一种快响应铌酸锂晶体及其制备方法 - Google Patents

一种快响应铌酸锂晶体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快响应铌酸锂晶体，所述的铌酸锂晶体进行了铟铀双掺杂，In离子以In2O3的形式掺入，掺杂量为2～6 mol%，铀离子以UO2的形式掺入，掺杂量为0.6～2 mol%。本发明还提供了上述快响应铌酸锂晶体的制备方法，通过固相烧结法合成双掺铌酸锂多晶粉料，选择CLN籽晶，将籽晶固定在铂金坩埚底部，然后将掺杂的多晶料装入铂金坩埚中封好，将头尾两端密封后置于氧化铝保温管中；然后将保温管置于晶体生长炉内，加热使多晶料得到充分熔化，利用坩埚下降法生长晶体。本发明实现了快响应速度以及高质量铟铀双掺铌酸锂晶体的生长，并且工艺设备简单，可同时生长多根晶体。

Description

一种快响应铌酸锂晶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及晶体材料技术领域，具体涉及一种快响应铌酸锂晶体及其制备方法。
背景技术
铌酸锂(LiNbO3,简称LN)晶体是一种具有电光效应、压电效应、光折变效应等物理性能 于一体的重要的多功能、多用途人工材料。特别是其原材料来源丰富、自身物理化学性能稳定、易加工成高质量大尺寸单晶、良好的固溶性等优点。LN 晶体作为一种重要的光折变晶体材料，自身诸多优异的性能使得其被高度赞扬为“光子学中的硅”被广泛应用于全息存储、三维全息显示、集成光学器件、光通信调制器等诸多领域。
掺杂改性是改善晶体性能的常用办法，因此对于铌酸锂晶体，人们也进行了相当多的掺杂改性研究。包括掺杂一些具有可变价态的金属离子来提高LN的光折变性能，如Fe、Mn、Ce、Cu等，但其响应速度依旧不够快，掺杂后的LN晶体其光折变性能依然不够理想。如今，高价态掺杂LN晶体的光折变性能突出，我们选择In离子消除LN晶体中的反位铌，并选择高价态可变价的元素U与In离子进行双掺杂，然后使用坩埚下降法成功生长出LN:In,U晶体。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种晶体光折变性能好的快响应铌酸锂晶体，还提供了该铌酸锂的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种快响应铌酸锂晶体，所述铌酸锂晶体与In离子和U离子进行双掺杂，In离子以In2O3的形式掺入，掺杂量为2～6 mol%，铀离子以UO2的形式掺入，掺杂量为0.6～2 mol%。
进一步的，In离子的掺杂量为2mol%；U离子的掺杂量为0.6mol%。
本发明还提供了上述的一种快响应铌酸锂晶体及其制备方法，步骤如下：
1)先采用固相烧结法制备In离子与U离子双掺的LiNbO3多晶料，得到LN:In,U多晶料；
2)选择CLN籽晶，将籽晶固定在铂金坩埚底部，然后将掺杂的多晶料装入铂金坩埚中封好，并置于氧化铝保温管中；
3)经8h将晶体炉升温1000～1430℃，并保温12～15小时；
4)逐渐上摇保温管，使多晶料完全熔融后保温1～3h；
5)以0.1～0.2mm/h的速度下降保温管生长晶体，得到快响应铌酸锂晶体。
进一步的，CLN籽晶的取向为<001>或其他方向；籽晶截面形状为圆形、长方形或正方形。
进一步的，晶体生长时所用坩埚为铂金坩埚，坩埚壁厚0.10~0.15mm，形状为圆柱形、长方形、正方形或楔形。
进一步的，晶体炉体内设置多个等效工位，能同时生长至少两根晶体。
进一步的，制备In离子与U离子掺杂的铌酸锂多晶料包括如下步骤：
1)按[Li]/[Nb]=48.38/51.62的配比来称量Nb2O5粉末与Li2CO3粉末，并将其和相同纯度的In2O3、UO2粉末按所述掺杂量进行研磨均匀混合；
2)将混合均匀的多晶料放入马弗炉，将温度升至 800℃保温 5 h，再经 3 h 升至1100℃烧结 8 h，最后降温，取出样品研磨均匀，得到LN:In,U多晶料。
进一步的，所述Nb2O5粉末、Li2CO3粉末、In2O3粉末和UO2粉末的纯度大于或等于99.99%。
本发明中所述的In离子与U离子的掺杂量是相对于铌酸锂多晶料的摩尔百分比。
本发明采用的坩埚是密封的，可以有效减少熔体的挥发以及节省原料，并且晶体成分也易控制。，且炉膛温场稳定，提高晶体生长质量。同时，生长的晶体形状可根据坩埚形状而定，可以多根晶体同时生长，有利于产业化。
本发明通过固相烧结法合成双掺铌酸锂多晶粉料，选择CLN籽晶，将籽晶固定在铂金坩埚底部，然后将掺杂的多晶料装入铂金坩埚中封好，将头尾两端密封后置于氧化铝保温管中；然后将保温管置于晶体生长炉内，通过中频感应加热使多晶料得到充分熔化，利用坩埚下降法生长晶体，下降速率控制在 0.1 mm/h-0.2 mm/h。
本发明的有益效果是：
本发明由于In离子与U离子的掺杂，使得LN晶体光折变性能大幅提高，响应速度也大幅缩短，与CLN晶体以及单掺铁铌酸锂晶体相比，其响应速度提高了1~2个数量级。本发明实现了快响应铌酸锂晶体的生长，同时工艺设备简单，可同时生长多根晶体，极大提高了快响应铌酸锂晶体的生长效率及应用。本发明中所述的快响应铌酸锂晶体可应用于三维（3D）全息显示以及全息存储材料。
附图说明
图1为实施例1所获得的LN:In,U晶体样品图；
图2为实施例`1所获得的LN:In,U晶体样品在波长λ=488nm，光强I=400 mw/cm2条件下的饱和衍射效率与响应时间关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种快响应铌酸锂晶体，铌酸锂晶体与In离子和U离子进行双掺杂，In离子以In2O3的形式掺入，掺杂量为2～6 mol%，铀离子以UO2的形式掺入，掺杂量为0.6～2 mol%。具体的，In离子的掺杂量为2mol%；U离子的掺杂量为0.6mol%。
该铌酸锂晶体的制备方法为：
将纯度不低于99.99%的Nb2O5粉料和Li2CO3粉料按[Li]/[Nb]=48.38/51.62的铌锂比精确称量配料，并将其和相同纯度的In2O3、UO2粉末按所述掺杂量进行研磨均匀混合；将混合均匀的多晶料放入马弗炉后，在 1100℃烧结 8 h，最后降温，取出样品研磨均匀，得到LN:In,U多晶料。
将取晶向为＜001＞的CLN单晶作为籽晶，将多晶料和籽晶装入铂金坩埚，然后采用坩埚下降法进行晶体生长：先用8小时将炉温生长从1000℃升至1430℃，然后保温12h，再逐渐上摇保温管，使多晶料完全熔融后保温1～3h，再以0.2～0.3mm/h的速度下降保温管，进行晶体生长；晶体生长结束后，关闭电源，取出晶体。
将所得的晶体加工为10×10×3mm的样品，两端抛光后，进行光折变性能测试。
图1为实施例1所获得的LN:In,U晶体样品图；图2为实施例`1所获得的LN:In,U晶体样品在波长λ=488nm，光强I=400 mw/cm2条件下的饱和衍射效率与响应时间关系曲线图。由图中可以看出，LN:In,U晶体在488nm波段的饱和衍射效率保持在55.4%左右，响应时间在6.5s相较于CLN而言，LN:In,U晶体拥有着快响应速度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种快响应铌酸锂晶体，其特征在于，所述铌酸锂晶体与In离子和U离子进行双掺杂；In离子以In2O3的形式掺入，掺杂量为2～6 mol%，铀离子以UO2的形式掺入，掺杂量为0.6～2 mol%。
2.一种制备权利要求1所述的快响应铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：得到LN:In,U多晶料，最后将多晶料装入固定有CLN籽晶的铂金坩埚中并封好，通过坩埚下降法生长晶体，其中坩埚下降法生长晶体的步骤包括：
1)先采用固相烧结法制备In离子与U离子双掺的LiNbO3多晶料，得到LN:In,U多晶料；
2)选择CLN籽晶，将籽晶固定在铂金坩埚底部，然后将掺杂的多晶料装入铂金坩埚中封好，并置于氧化铝保温管中；
3)经8h将晶体炉升温1000～1430℃，并保温12～15小时；
4)逐渐上摇保温管，使多晶料完全熔融后保温1～3h；
5)以0.1～0.2mm/h的速度下降保温管生长晶体，得到快响应铌酸锂晶体。
3.如权利要求2所述的快响应铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于，所述CLN籽晶的取向为<001>或其他方向；籽晶截面形状为圆形、长方形或正方形。
4.如权利要求2所述的快响应铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于，所述晶体生长时所用坩埚为铂金坩埚，坩埚壁厚0.10~0.15mm，形状为圆柱形、长方形、正方形或楔形。
5.如权利要求2所述的一种快响应铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于：所述晶体炉体内设置多个等效工位。
6.如权利要求2所述的快响应铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于：制备In离子与U离子掺杂的铌酸锂多晶料包括如下步骤：
1)按[Li]/[Nb]=48.38/51.62的配比来称量Nb2O5粉末与Li2CO3粉末，并将其和相同纯度的In2O3、UO2粉末按所述掺杂量进行研磨均匀混合；
2)将混合均匀的多晶料放入马弗炉，将温度升至 800℃保温 5 h，再经 3 h 升至1100℃烧结 8 h，最后降温，取出样品研磨均匀，得到LN:In,U多晶料。
7.根据权利要求3-6任一所述的快响应铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于：所述Nb2O5粉末、Li2CO3粉末、In2O3粉末和UO2粉末的纯度大于或等于99.99%。
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