[发明专利]铁掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法，属于压电晶体和晶体生长领域。

技术背景

压电晶体是声表面波器件的重要材料，不断发展的压电晶体是促使声表面波器件快速发展的重要因素。以扩频技术为标志的新一代无线系统中，声表面波器件由于具有大宽带、优异的通带选择性、极小的带内畸变、实时处理能力的特点而成为新一代各类宽带无线通信系统中的信后前端、中频信号处理的不可替代器件。石英、铌酸锂、钽酸锂晶体是较早被用来制作声表面波器件，其中石英的介电、压电系数和机电耦合系数相对较小，但具有良好的温度稳定性，因而适合制备对温度稳定性要求高的声表面波器件；铌酸锂晶体的机电耦合系数大、传播损耗小，是制备宽带低损耗声表面波器件的重要材料；钽酸锂也有大的机电耦合系数，声衰减最小，温度稳定性优于铌酸锂，但早期由于其熔点比铌酸锂高，生长技术复杂，故没有应用在声表面波器件上。但在1977年日本的大尺寸铌酸锂生长成功后，钽酸锂开始用被用于声表面波器件上。

在近年来，人们发展出了新型压电单晶硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄，下简记为LGS)，它具有适中的机电耦合系数、良好的温度稳定性,能够满足声表面波器件对基片材料的基本要求；其声表面波传播速率低,这对实现器件小型化非常有利；其良好的高温稳定性好有望用于高温环境，是许多高端运应用如航天领域的重要压电晶体。这些优点使得人们对LGS非常重视，对其性能、晶体生长做了大量的研究工作。由于LGS中的Ga组分原料很贵，限制了它的普及应用；且在生长中Ga存在挥发，对晶体生长的控制和晶体质量有很大影响，因而，人们对LGS中的Ga替代做了大量工作，以Al替代Ga即La₃Ga_5-xAl_xSiO₁₄，但是Al替代的LGS的最大x值为1.5，且当x＝0.9时，生长晶体会出现严重开裂，因而，Al取代Ga所取得的成本降低有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁掺杂硅酸镓镧晶体及其熔体法生长方法，获得性能优良的压电单晶，在通讯等领域有重要的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

铁掺杂硅酸镓镧晶体，其分子式可表示为La₃Ga_5(1-x)Fe_5xSiO₁₄，其中x的取值范围为：0<x<1。

铁掺杂硅酸镓镧晶体的熔体法生长方法，包括以下步骤：

（1）采用La₂O₃、Ga₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂作为原料，按下列化学反应式:

进行配料，将其充分混合均匀后，在800-1400℃下煅烧80-200小时发生固相反应后，获得生长晶体所需的多晶原料：

（2）将多晶原料压制成形，在1000-1400℃烧结10-70小时，获得晶体生长的初始原料；或者将多晶原料压制成形后不经额外烧结，直接用作晶体生长的初始原料；

（3）将晶体生长的初始原料放入生长铂坩埚、铱坩埚、钼坩埚或钨坩埚内，通过感应加热或电阻加热并充分熔化，获得晶体生长熔体；然后采用熔体法晶体生长工艺-提拉法、坩埚下降法、温梯法、热交换法、泡生法、顶部籽晶法或助熔剂晶体生长方法进行生长。

本发明熔体法生长铁掺杂硅酸镓镧晶体时，包括不采用籽晶生长和采用用籽晶定向生长；对于采用籽晶定向生长，籽晶为铁掺杂硅酸镓镧单晶或硅酸镓镧单晶，籽晶方向<100>、<010>或<001>方向。

本发明铁掺杂硅酸镓镧晶体生长中存在Ga挥发，同时存在Fe的分凝现象，生长出的晶体组分和配料组分会有差别，但在均在权利1所指明的范围之内；设铁的有效分凝系数为k，则考虑Fe分凝效应后，配制生长浓度为x的单晶的原料应按下列化学化学反应式:进行配制。