CN1880522A - 一种铌酸锂晶体的极化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铌酸锂晶体极化方法和专用设备，属于晶体材料后处理技术领域。将铌酸锂晶体Y切，晶体样品置于两个铌酸锂极化晶片之间，极化晶片和晶体样品之间有铌酸锂晶体粉料，上下两个极化晶片各加一铂片构成极化电极，极化温度1200±5℃，加电场极化。专用设备中铂电极、极化晶片、铌酸锂晶体粉料、晶体样品构成紧密接触体，紧密接触体外套有一个刚玉套筒。本发明采用晶体Y方向极化，铌酸锂晶片代替传统的铌酸锂陶瓷板，极化装置和保温装置在极化时固定在一起。用本发明的方法和装置进行极化处理的LN和掺杂LN能更好地实现完全单畴化。
Description
(一)技术领域
本发明涉及晶体后处理工艺，尤其涉及铌酸锂晶体极化方法及装置。
(二)背景技术
铌酸锂LiNbO3(LN)是一种具有优良压电、电光和非线性光学性能的多功能材料，被用来制作电视滤波器、电光调制器和激光倍频器.目前一般条件下生长的铌酸锂晶体室温为铁电相多畴结构，这对铌酸锂晶体的压电、电光和非线性的性质造成了不利的影响，因此铌酸锂的单畴化对于铌酸锂晶体的应用起着关键的作用。
对于铌酸锂晶体的极化退火工艺，现行的方法和前人的报道皆为沿铌酸锂的极轴即铌酸锂的C轴进行极化，参见格莱伯米亚等人，LiNbO3掺MgO的晶体生长与研究，《晶体生长》，1986；79：682和古川等人，用于电光器件的Mg:LiNbO3的晶体生长与性质，《晶体生长》1990；99：832(B.C.Grabmier el al.”Growth and Investigation of MgO-doped LiNbO3”《J.Cystal Growth》1986；79：682；Y.Furukawa el al.”Growth and Characterization ofMgO-doped LiNbO3 for Electro-optic Devices”《J.cystal growth》1990；99：832)。上述两篇文献报道了Mg:LN晶体的极化条件，指出晶体要沿C轴的直流电场进行极化处理，极化电流2mA/cm2，通电30-60分钟。对于这种极化，若用铂镀导电层是不合适的，因为极化后发现Pt进入晶体之中。用铂片压在平坦晶体端面上极化晶体可以获得成功。赵业权等“掺镁富锂LiNbO3晶体的生长及其抗光折变效应”《人工晶体学报》1990；19(3)：200一文中给出了高掺镁极化示意图，由该图可知用铂片作电极，是将LN陶瓷片和LN陶瓷粉夹在电极和晶体之间。现有技术多采用上述工艺，其极化条件与LN晶体大致相同。极化炉为硅碳棒马弗炉，晶体样品在炉内安放时会造成晶体样品与极板的相对位移，致使接触不良。
以上文献所报道的方法有以下缺点：
1.较难保证电极与晶体端面的良好接触，常导致极化电流密度不均匀，严重时引起晶体开裂。
2.采用LN陶瓷片、LN陶瓷粉夹在Pt片与晶体之间，以减小接触不良造成的电场不均，却难以使陶瓷粉撒放均匀，仍然存在接触面各点电阻不均匀的问题，会出现晶体“断边”现象，另外，在极化温度下，LN陶瓷片和陶瓷粉会变的粗糙松散，影响电流均匀，严重时会出现陶瓷片裂散，无法重复使用。
(三)发明内容
本发明提供了一种新的铌酸锂晶体的极化方法和装置，以弥补现有技术的不足，使LN和掺杂LN得到完全极化。
本发明的铌酸锂晶体的极化方法，步骤如下：
将Y切、磨平端面的铌酸锂晶体样品置于两个极化晶片之间，用铌酸锂晶片作极化晶片，极化晶片和铌酸锂晶体样品之间有压平的铌酸锂晶体粉料，上下两个极化晶片各加一铂片构成极化电极，升温至1200±5℃恒温5-10h，开始加电场极化，铌酸锂晶体样品沿Y向极化，保持温度1200±5℃，30m-1h，再降温至800℃停止电场通电，继续降温，降至室温。
本发明的方法其特征之一在于铌酸锂晶体样品沿Y向极化，其特征之二在于用铌酸锂晶片作极化晶片，极化晶片和铌酸锂晶体样品之间有研细并压平的铌酸锂晶体粉料。
优选的，铌酸锂晶体Y切后两端面磨平，误差不超过±10′。
优选的，所述的铂片需整平处理，处理方法是将0.5-1mm厚的铂片在氢氟酸溶液里浸泡后取出，再施加20吨的压力压平。
优选的，所述的铌酸锂晶体样品端面磨平是使其在相互垂直的的两个方向都与零号刀口尺的刀口吻合。
优选的，所述的铌酸锂极化晶片需整平处理，处理方法同铌酸锂晶体样品的端面磨平。
优选的，所述的铌酸锂极化晶片是与铌酸锂晶体样品为同一成分，铌酸锂极化晶片端面的方向没有限制，厚度为1mm-5mm。
上述铌酸锂极化晶片的一面涂铂浆，将铂片放置在铂浆上，压紧，使铂片与极化晶片紧密结合，然后放置晾干。将铌酸锂极化晶片的另一面压上一层铌酸锂晶体粉料，压平并压紧。
优选的，所述的铌酸锂晶体粉料粒度在300-600目，用盖玻片压平、压紧后反转朝下，粉料不松动，不脱落。压紧后厚度不超过1mm。
优选的，所述的极化过程中控制温度与加电场是：升温至1200±5℃恒温5-10h，开始加电场极化，极化电流密度8-10mA/cm2，保持温度1200±5℃，30m-1h，再降温至800℃停止电场通电。
优选的，上述的升温速度为30℃/h，降温速度为900℃以上20℃/h，900℃以下50℃/h。
本发明铌酸锂晶体极化方法的专用设备，结构如下：
如图1所示，该设备包括加热炉，保温装置，程序自动控温装置，直流电场发生、调整装置，加热炉由炉膛、炉壳、支架、硅碳棒、ZrO2耐火棉组成，炉膛是Al2O3空心球耐火砖，保温系统的一侧放置一热电偶，坩埚外侧有热电偶与控温装置连接，其特征在于，下端面与铂电极15接触的极化晶片14上面依次有铌酸锂晶体粉料13、铌酸锂晶体样品12、铌酸锂晶体粉料10、极化晶片9、铂片8，构成紧密接触体，两铂片与直流电源连接。
优选的，保温装置包括刚玉套筒11、刚玉坩埚4、ZrO2粉料6，ZrO2耐火棉18。刚玉坩埚底部铺有ZrO2粉料，厚度在5mm-15mm，由铌酸锂晶体样品、铌酸锂晶体粉料、极化晶片和铂片构成的紧密接触体置于ZrO2粉料上，紧密接触体外套有一个刚玉套筒。在刚玉套筒内的空隙填有铌酸锂晶体粉料，在刚玉坩埚与刚玉套筒间的空隙填有ZrO2粉料，ZrO2粉料与刚玉套筒上端面持平。刚玉坩埚上部空间填充ZrO2耐火棉。
优选的，在顶端的铂电极8上置一耐火砖，以便做重物压紧接触体。
优选的，所述的热电偶是Pt90Rh10-Pt热电偶。
优选的，所述的铂电极用0.2mm的Pt导线与直流电源连接。
优选的，所述的晶体样品端面、极化晶片、刚玉套筒尺寸依次略有递增。
本发明晶体样品和极化电极紧密结合，晶体样品与电极晶片的结合处有压紧压平的铌酸锂晶体粉料可保证整体密合。
本发明不同于前人采用的Z方向极化，而是采用对铌酸锂晶体Y方向极化，相比极化电流增大，可以得到完全单畴化的铌酸锂晶体。本发明的专用设备中的极化装置和保温装置在极化时是固定在一起的，保证晶体与电极系统的相对位置不发生变化，确保极化电流密度均匀性，极化温场设计合理。本发明使用的LN晶片取代常用的LN陶瓷板，能保证和极化晶体接触良好，从而保证了极化电流密度的均匀性。本发明采用1200±5℃极化温度，采用上述极化装置和方法，可以获得完全单畴化的LN或掺杂LN。下表为铌酸锂晶体采用本发明极化前后的压电系数(单位：pC/N)对比值：
表1
| 取样点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 极化前d22 | 10 | 8 | 9 | 9 | 10 | 9 |
| 极化后d22 | 29 | 29 | 28 | 27 | 27 | 27 |
表2
| 取样点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 极化前d33 | 2 | 2 | 3 | 2 | 2 | 2 |
| 极化后d33 | 15 | 15 | 15 | 14 | 15 | 15 |
(四)附图说明
图1是本发明的极化装置结构示意图，图2是本发明的极化装置中紧密接触体的结构示意图。其中，1.ZrO2耐火棉，2.氧化铝空心球耐火砖炉膛，3.硅碳棒，4.刚玉坩埚，5.热电偶6.ZrO2粉料，7.耐火砖重物，8.铂片，9.铌酸锂晶片，10.铌酸锂粉料，11.刚玉套筒，12.铌酸锂样品，13.铌酸锂粉料，14.铌酸锂晶片，15.铂片，16.铌酸锂晶体粉料，17.耐火砖支柱18.ZrO2耐火棉，19.mA电流计，20.晶体管直流稳压电源，21.热电偶补偿导线，22.FP21自动控温仪。
(五)具体实施方式
实施例1：Mg:LN晶体极化方法
1.将Mg:LN晶体切出两个垂直于Y轴的端面，并将端面磨平，误差不超过±10′。
2.铌酸锂极化晶片两面磨平，用刀口尺检查，以其平面度与晶体两端面相同为标准。
3.用15mm×15mm的铂片制作电极：将铂电极放置于氢氟酸溶液里浸泡5h，取出整平，用20吨压力压平。用Φ0.2mmPt导线连接。
4.铌酸锂极化晶片的一面涂满Pt浆，并涂平。将Pt电极放置在Pt浆上，并压紧，使Pt电极与晶片紧密结合，然后放置晾干。将铌酸锂极化晶片的另一面压上一层铌酸锂晶体粉料，压平并压紧。用以上制作的两个铌酸锂极化电极夹好晶体样品(样品与铌酸锂晶体粉料接触)
5.将刚玉坩埚底部放置ZrO2粉料，将上一步做好的晶体样品、极化用晶片、铂电极紧密结合的系统放置在ZrO2粉料上，套上刚玉套筒，将刚玉套筒内的空隙填满铌酸锂晶体粉料，将刚玉套筒和刚玉坩埚间的空隙填满ZrO2粉料，在铂电极上方放置一Al2O3空心球耐火砖做重物压紧。然后用ZrO2耐火面填满整个刚玉坩埚。
6.刚玉坩埚放置于炉膛内合适温场部位。
7.将极化电路和控温系统接好。Pt导线与直流电源用焊锡焊接保证电路连接良好。
8.按下述程序和条件极化
(1).按30℃/h速度升温至1200℃，恒温5小时。
(2).加电场极化，电流密度10mA/cm2，恒温1小时。
(3).按20℃/h速度降至900℃，再按50℃/h速度降至室温，在800℃时电场断电。
(4).晶体充分凉透后取出。即得完全单畴化的Mg:LN晶体。
铌酸锂晶体极化方法的专用设备，结构如下：
如图1所示，包括加热炉，保温装置，程序自动控温装置，直流电场发生、调整装置，加热炉由炉膛、炉壳、支架、硅碳棒3、ZrO2耐火棉1组成，炉膛是Al2O3空心球耐火砖2，保温系统坩埚外侧放置一热电偶5，热电偶是Pt90Rh10-Pt热电偶，与控温装置(FP21)22连接，下端面与铂电极15接触的极化晶片14上面依次有铌酸锂晶体粉料13、铌酸锂晶体样品12、铌酸锂晶体粉料10、极化晶片9、铂片8，构成紧密接触体，两铂片与直流电源20连接。保温装置包括刚玉套筒11、刚玉坩埚4、ZrO2粉料6，ZrO2耐火棉18。刚玉坩埚底部铺有ZrO2粉料6，厚度在10mm，由铌酸锂晶体样品、铌酸锂晶体粉料、极化晶片和铂片构成的紧密接触体置于ZrO2粉料6上，紧密接触体外套有一个刚玉套筒11。在刚玉套筒11内的空隙填有铌酸锂晶体粉料16，在刚玉坩埚4与刚玉套筒11间的空隙填有ZrO2粉料，ZrO2粉料与刚玉套筒11上端面持平。刚玉坩埚4上部空间填充ZrO2耐火棉1。在顶端的铂电极8上置一耐火砖，以便做重物压紧接触体。铌酸锂极化晶片厚20mm，面积大于样品端面；整平的15mm×15mm的铂片与0.5mmPT导线相连接；
实施例2：
如实施例1，所不同的是极化样品为同成分LN晶体，极化温度为1175℃。
实施例3：
如实施例1，所不同的是极化样品为从熔体[Li]/([Li]+[Nb])＝1生长的铌酸锂晶体，极化温度为1200℃。
Claims (10)
1、铌酸锂晶体的极化方法，步骤如下：
将Y切、磨平端面的铌酸锂晶体样品置于两个极化晶片之间，用铌酸锂晶片作极化晶片，极化晶片和铌酸锂晶体样品之间有压平的铌酸锂晶体粉料，上下两个极化晶片各加一铂片构成极化电极，升温至1200±5℃恒温5-10h，开始加电场极化，铌酸锂晶体样品沿Y向极化，保持温度1200±5℃，30m-1h，再降温至800℃停止电场通电，继续降温，降至室温。
2、如权利要求1所述的极化方法，其特征在于，铌酸锂晶体Y切后两端面磨平，使其在相互垂直的的两个方向都与零号刀口尺的刀口吻合，误差不超过±10′。
3、如权利要求1所述的极化方法，其特征在于，所述的铂片需要整平处理，处理方法是将0.5-1mm厚的铂片在氢氟酸溶液里浸泡后取出，再施加20吨的压力压平。
4、如权利要求1所述的极化方法，其特征在于，所述的铌酸锂极化晶片与铌酸锂晶体样品为同一成分，铌酸锂极化晶片端面的方向没有限制，厚度为1mm-5mm。
5、如权利要求1或4所述的极化方法，其特征在于，所述铌酸锂极化晶片的一面涂铂浆，将铂片放置在铂浆上，压紧，使铂片与极化晶片紧密结合，放置晾干，然后将铌酸锂极化晶片的另一面压上一层铌酸锂晶体粉料。
6、如权利要求4所述的极化方法，其特征在于，所述的铌酸锂晶体粉料粒度在300-600目，压紧后厚度不超过1mm。
7、如权利要求1所述的极化方法，其特征在于，所述的加电场极化的极化电流密度是8-15mA/cm2。
8、如权利要求1所述的极化方法，其特征在于，所述的升温速度为30℃/h，降温速度为：900℃以上20℃/h，900℃以下50℃/h。
9、一种用于权利要求1的铌酸锂晶体极化方法的专用设备，包括加热炉，保温装置，程序自动控温装置，直流电场发生、调整装置，加热炉由炉膛、炉壳、支架、硅碳棒、ZrO2耐火棉组成，炉膛是Al2O3空心球耐火砖，保温系统的一侧放置一热电偶，坩埚外侧有热电偶与控温装置连接，其特征在于，下端面与铂电极(15)接触的极化晶片(14)上面依次有铌酸锂晶体粉料(13)、铌酸锂晶体样品(12)、铌酸锂晶体粉料(10)、极化晶片(9)、铂片(8)，构成紧密接触体，两铂片与直流电源连接。
10、如权利要求9所述的铌酸锂晶体的极化的专用设备，其特征在于，所述保温装置包括刚玉套筒(11)、刚玉坩埚(4)、ZrO2粉料(6)，ZrO2耐火棉(18)，刚玉坩埚底部铺有ZrO2粉料，厚度在5mm-15mm，由铌酸锂晶体样品、铌酸锂晶体粉料、极化晶片和铂片构成的紧密接触体置于ZrO2粉料上，紧密接触体外套有一个刚玉套筒，在刚玉套筒内的空隙填有铌酸锂晶体粉料，在刚玉坩埚与刚玉套筒间的空隙填有ZrO2粉料，ZrO2粉料与刚玉套筒上端面持平，刚玉坩埚上部空间填充ZrO2耐火棉。
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