[发明专利]大尺寸Al2O3基晶体的二步法制备方法

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长领域，具体涉及Al₂O₃基晶体的二步法制备方法。

背景技术

刚玉由于具有高强度、高熔点、化学惰性和多种光学特性等物理性能，因此应用十分广泛。不掺杂的α-Al₂O₃的称为白宝石，掺Cr₂O₃的Al₂O₃晶体呈红色，通常称之为红宝石，红宝石以外的其他颜色的刚玉通称为(彩色)蓝宝石，如无色蓝宝石，蓝色蓝宝石，黄色蓝宝石，粉红蓝宝石，绿色蓝宝石，橙色蓝宝石，紫色蓝宝石。掺杂不同元素的Al₂O₃晶体呈现不同的颜色，由于其独特的物理化学性能在工业、装饰、医疗器械、光学等领域发挥日益重要的作用。作为装饰宝石，掺上不同元素可制成名贵的天然红宝石、蓝宝石以及其他颜色的宝石和星芒宝石的仿制品；作为超硬材料广泛用作钟表工业耐磨轴承和永不磨损的表蒙；作为稳定的惰性材料可用作耐磨蚀的化学器皿、外延基片和医用植入材料；作为光学介质，宝石是性能优良的红外窗口材料；作为激光材料，钛宝石则是激光晶体中的一颗新星，它是目前最好的可调谐激光晶体。白宝石(α-Al₂O₃)晶体具有一系列独特而优良的物理化学性能，特别是0.2～0.5μm波段有良好透光性，一直广泛应用于红外军事装备、卫星和空间技术的仪表及高功率激光器(如HF、DF、CO₂激光器)的窗口材料，近来又成为重力波探测器中光学系统的首先材料。

光学浮区法是近年来得到迅速发展的一种晶体生长方法，其应用范围也越来越广泛。可用于生长钒酸盐激光晶体，铝酸盐激光晶体，以及超导等多种功能晶体。与提拉法和坩埚下降法等常规晶体生长方法相比，光学浮区法最独特的地方在于实现了无坩埚生长，这就避免了原料与坩埚的污染，因此对于易污染的材料生长提供了一种有效途径。浮区法属于熔体生长一种方法，在生长的晶体和多晶棒之间形成一段熔区，熔区的稳定是靠表面张力和重力的平衡来维持的。熔区自上而下，或者自下而上移动，以完成结晶过程。浮区法生长晶体的加热源有RF感应加热，放电，电弧，电阻加热，光聚焦。光聚焦作为加热源的晶体生长方法称为光学浮区法，它是将光源发出的光，经过聚焦作为热源，送到被加热的多晶样品上，待多晶熔化以后，生长晶体。浮区法浮区法具有加热温度不受坩埚熔点限制，并且生长速度较快等优点，被广泛应用于高温难熔氧化物和金属间化合物生长。

二步法(Two Zone Passage)属于光学浮区法(Optical Floating Zone Method)生长晶体的一种改良方法，主要见于高熔点的硼化物晶体的生长。在二步法中，第一步目的在于得到致密的料棒，第二步在于得到高质量的晶体。(Tanaka，T.；Sato，A.；Takenouchi，S.；Kamiya，K.；Numazawa，T.，Floating-zone crystal growth of Nb-doped YB₆₆ for soft X-ray monochromator use.Journal of Crystal Growth 2005，275(1-2)，1889-1893.)。Al₂O₃基晶体一般制备困难、周期长，例如掺Cr₂O₃的红宝石主要采用温度梯度的法，或者水热法生长制备；白宝石(α-Al₂O₃)晶体主要采用提拉法或导向温梯法制备。这些方法一般都用烧结炉烧结，烧结时间较长，通常至少需要数小时：烧结过程不易控制，易导致元素挥发；烧结时需要坩埚，易造成高温烧结时的杂质污染。Al₂O₃基晶体中，蓝色蓝宝石和粉红蓝宝石最为希贵，关于其报道也最多。相反，其他宝石晶体，如Ni:Al₂O₃晶体、Fe:Al₂O₃晶体报道很少，其合成工艺方法、掺杂比例、性能用途的报道很少，其二步法生长工艺更是未见报道。

发明内容