[发明专利]一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于磁光晶体制备技术领域，具体地，本发明涉及了一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用。

背景技术

自20世纪60年代以来，磁光材料由于其自身优良的磁光效应而一直是世界各国科学家研究的热点，被广泛用作磁光调制器、磁光传感器、磁光隔离器和磁光开关等，是一种极其重要材料。

磁光材料既可以是磁光玻璃，也可以是磁光晶体。虽然磁光玻璃的应用很广泛，但是其Verdet常数不大，无法同商业的磁光晶体相比。商业化的磁光晶体主要有两种：第一种是钇铁石榴石(YIG)，其只能应用于红外波段，无法应用于可见波段；第二种是铽镓石榴石(TGG)，其在633nm的Verdet常数只有-134rad/m.T，仍不是很大，而且在TGG的生长过程中，组分之一的氧化镓(Ga₂O₃)易挥发，所以很难得获得品质优良的TGG晶体。此外，TGG晶体的原料很昂贵，也导致了其成本较高。

基于上述磁光材料的不足，我们把重点关注在了磷灰石型稀土硅酸盐(apatite)，这是由于apatite中的稀土含量较高，并且结构属于六方晶系同时含有对称中心。Ln₅Si₂BO₁₃的多晶粉末(Ln＝La,Pr,Nd,Sm-Gd,Dy)已有报道(S.Asiri Naidu,U.V.Varadaraju,B.Raveau,Journal of Solid State Chemistry183(2010)1847–1852)。但Ln₅Si₂BO₁₃的单晶尚未报道。

发明内容

本发明的目的在，提供了一种硅硼酸铽磁光晶体及其制备方法和应用，该磁光晶体可用于可见近红外波段，透过范围宽(500～1500nm)，633nm的Verdet常数为-190rad/m.T。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种硅硼酸铽磁光晶体，所述硅硼酸铽的化学式是Tb₅Si₂BO₁₃(简写为TSBO)，所述硅硼酸铽晶体属六方晶系，空间群是P6₃/m，晶胞参数为：a＝0.92569(10)nm，c＝0.68297(12)nm，Z＝2。

本发明所述晶体在500～1500nm波段具有90％以上的透过率。

本发明所述晶体在波长为633nm光时，其Verdet常数为-190rad/m.T。

本发明还提供一种硅硼酸铽磁光晶体的制备方法，所述方法采用助熔剂法或者熔体提拉法生长晶体。

进一步地，所述助溶剂法生长晶体的步骤包括：

将含Tb的化合物：含Si的化合物：含B的化合物：含Pb的化合物按照Tb：Si：B：Pb元素摩尔比为5：2～5：5～10：50～80的比例均匀混合研磨，装入铂坩埚，升温至1100～1200℃，保温24h，然后5～10℃/h的速度降至室温，得到硅硼酸铽磁光晶体。

进一步地，所述熔体提拉法生长晶体的步骤包括：

1)将含Tb的化合物：含Si的化合物：含B的化合物按照Tb：Si：B元素摩尔比为5～8：1～1.5：2～4的比例混合研磨，装入铂坩埚中，放入硅钼棒炉中烧至1200℃，得到生长所需的原料；

2)将生长所需的原料装入铱坩埚中，放入提拉炉中，并充入高纯N₂保护，加热至熔融，搅拌24～48小时，在混合熔体温度高于饱和点温度1～5℃时，将末端装有籽晶的籽晶杆从生长炉内放入，使其接触熔液表面或者使其伸入到熔体内；

3)下籽晶10～60分钟后，将温度降至饱和点温度，同时以30～120转/分的旋转速率旋转籽晶杆，然后以1～5℃/天的速率降温，以0.02～0.5mm/h的提拉速度提拉，待晶体长到毫米级尺寸时，将晶体提离液面，以2～100℃/h的速率降至室温，得到硅硼酸铽磁光晶体。

优选地，所述含Tb的化合物为铽的氧化物、铽的硝酸盐、铽的硫酸盐和铽的卤化物中的一种。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含铽的其他化合物。

优选地，所述含B的化合物为硼酸或氧化硼。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含硼的其他化合物。

优选地，所述含Si的化合物为硅的氧化物、硅的氢氧化物、单质硅、硅的有机酯和硅的卤化物中的一种。本领域技术人员还可以根据实际需要，选择含硅的其他化合物。