[发明专利]钛酸锆晶体的坩埚下降法生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶体的坩埚下降法生长技术，即用坩埚下降法生长钛酸锆晶体，属于晶体生长领域。

背景技术

钛酸锆是一种重要的电子陶瓷材料，具有极低的介电损耗，较高的介电常数和品质因数，以及良好的频率稳定性，是制备电容器、压电传感器以及微波介电谐振器的优选材料。钛酸锆材料还具有良好的高温性能，其熔点约为1820℃，可用做高温结构材料。

目前，钛酸锆还作为高折射率涂层的蒸镀材料广泛应用在光电子器件的制造中，如显示技术、成像技术、光输出和光集成的器件等。钛酸锆膜层在可见光和近红外光谱范围内具有很高的折射率、良好的稳定性和牢固性。早些时候，人们主要用TiO₂蒸镀材料来蒸镀高折射率涂层，但TiO₂蒸镀材料在加热和预熔的过程中会释放大量的氧气，即使进行充分的预热，溅射还是不可避免的，并且很难得到膜厚均一、折射率稳定的膜层。随着研究的深入，人们发现在TiO₂蒸镀材料中加入一定量的ZrO₂后蒸镀更加稳定，其形成的膜层也更为均匀，且在蒸镀过程中不会产生额外的放气现象，避免了蒸镀过程中的喷溅。利用钛酸锆作为蒸镀材料可以避免单纯使用TiO₂蒸镀材料的缺点，降低放气量，避免溅射，得到膜厚均一、折射率稳定的高性能涂层。

目前，用于制备钛酸锆涂层的钛酸锆蒸镀材料大部分是多晶陶瓷。多晶陶瓷钛酸锆虽然制备容易，成本低廉，但在制备过程中容易引入杂质，形成大量气孔，并且难以保证成分和结构的均匀性，而这些因素对制备高质量的钛酸锆涂层起着决定性的作用。因此，为了满足光、电应用对高质量钛酸锆材料的需求，钛酸锆晶体的制备也就成了当务之急。相比较于多晶陶瓷，钛酸锆晶体结晶性更好，密度更大；此外，生长过程中利用晶体自身排杂的特性，还可以提高材料的纯度。钛酸锆晶体已经作为一种高折射率膜料被广泛应用，但关于钛酸锆晶体制备的研究报道则几乎没有，因此，非常需要一种能够以较低成本生长钛酸锆晶体的方法，以便有利地进行工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方法简单、生长成本低廉、质量稳定的钛酸锆晶体坩埚下降法生长方法，以实现该晶体的产业化制备。

在本发明的第一方面，提供一种生长钛酸锆晶体的坩埚下降法生长方法，包括以下步骤：

(1)提供装有压块原料的坩埚，所述压块原料由原料TiO₂和ZrO₂按质量百分比分别为5～90％及10～95％配料，混合均匀、压块而得到；

(2)将步骤(1)的坩埚置于高温下降炉内，对整个系统升温并抽真空至10^-3～10^-4Pa，当炉温达到1350～1650℃时充入惰性保护气体，继续升温至设定温度，所述设定温度在1800～1950℃的范围内；

(3)炉温达到设定温度后，保温2～6小时，使原料熔化充分，晶体生长的固液界面温度梯度在15～60℃/cm的范围内，坩埚下降速率控制在0.1～6.0mm/h之间；

(4)待晶体生长结束后，在高温下降炉内保温12～24小时，然后以25～65℃/h的速度将炉温降至室温，对所生长的晶体进行退火处理。

在本发明的一个具体实施方式中，所述步骤(3)中，固液界面温度梯度设定在30～50℃/cm的范围内；坩埚下降速率控制在1.0～4.0mm/h之间。

在本发明的一个具体实施方式中，所述步骤(1)中，所述坩埚的形状为所需的形状，所述坩埚是选自钼、钨或钨钼合金的耐高温材料。

在本发明的一个具体实施方式中，所述步骤(2)中，在高温下降炉内安放多只坩埚，各坩埚具有同等生长条件和工效，以实现一炉同时生长多坩埚钛酸锆晶体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述步骤(4)中以25-50℃/h的速度进行退火处理。

在本发明的一个具体实施方式中，所述原料TiO₂纯度在99.9重量％及以上，ZrO₂的纯度在99.9重量％及以上。

在本发明的一个具体实施方式中，所得到的钛酸锆晶体是用于制备钛酸锆涂层的钛酸锆蒸镀材料。

在本发明的一个具体实施方式中，由如下步骤组成：

(1)提供装有压块原料的坩埚，所述压块原料由原料TiO₂和ZrO₂按质量百分比分别为5～90％及10～95％配料，混合均匀、压块而得到；