[发明专利]一种稀土掺杂正磷酸盐晶体的助熔剂法生长装置及方法

说明书

技术领域：

本发明属于单晶生长技术领域，涉及一种适用于助熔剂法单晶生长的装置，特别 是一种稀土掺杂正磷酸盐晶体的助熔剂法生长装置及方法。

背景技术:

目前，在助熔剂法晶体生长中，选用的铂金坩埚一般为敞口或带盖的，其生长体系 为开放或半开放，在晶体生长过程中，高温会引起物质的挥发。含铅类助熔剂对大多数材料 有着较高的溶解度，良好的溶解度温度系数，是助熔剂法晶体生长中常用的一类助溶剂，以 最常见的氧化铅为例，其在几百摄氏度的高温下即会产生挥发，在1200摄氏度时就会存在 较大的饱和蒸汽压，铅的化合物挥发到空气中会对大气造成污染，也会损害实验人员的身 体健康。因此科研人员不断探索新型无铅助熔剂体系，但是还未找到性能比肩含铅助熔剂 的新助熔剂体系，所以对实验设备的进行改造，解决含铅助熔剂的不良影响，会对晶体生长 以及新晶体探索具有非常重要的意义。

常用的稀土掺杂正磷酸盐的助熔剂体系为焦磷酸铅、钨酸盐和钼酸盐体系，其中 钨酸盐和钼酸盐由于较为复杂的生长体系，使得生长出的晶体尺寸和质量不如焦磷酸铅体 系，但是焦磷酸铅体系的熔点约为900℃，且体系中磷和铅的化合物均有不同程度的挥发， 使得对生长体系不可控，且组分偏离会使得晶体生长十分困难，甚至无法生长晶体。并且生 长过程中挥发出的氧化铅会对环境造成污染，对身体造成伤害。传统晶体生长用坩埚一般 为空心圆柱体状，容器底部与侧壁呈九十度夹角，溶液的对流在此处容易产生死角，此处的 溶质和溶液无法和体系中其他部分进行及时的物质交换，造成体系的不均匀，而且此处产 生的杂晶也会使得体系的饱和度变化，不利于生长出大尺寸高质量的晶体。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种稀土掺杂正磷酸 盐晶体的助熔剂法生长装置及方法，降低生长稀土掺杂正磷酸盐晶体时的体系的熔点，减 少晶体生长过程中的有毒气体排放，保护环境和人身安全。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括上盖、螺纹、外壁和内壁；采用铂金材 料制成的外壁为圆柱形，外壁的高度为其半径的2.5倍，厚度为其半径的0.1倍；外壁与内壁 为一体结构，内壁的底部为半球体结构；外壁的顶部设有螺纹，上盖通过螺纹拧在外壁上密 封整个装置。

本发明采用稀土掺杂正磷酸盐晶体的助熔剂法生长装置进行晶体生长的过程为：

(1)、将氧化铅和氟化铅按照摩尔比为15:85的比例进行称量并均匀混合后压制成 圆柱形块状结构得到助熔剂；

(2)、将YbPO4和YPO4按照摩尔比为5:95的比例进行称量并均匀混合得到混合物；

(3)、将步骤(1)得到的助熔剂和步骤(2)得到的混合物按照重量比为10:1的比例 进行称量后将混合物放置于内壁的底部并压实，在混合物上面放置助熔剂；

(4)、将上盖拧盖在外壁上密封后将生长装置放置于加热炉内；

(5)、调节加热炉的温度，先从室温以不高于300℃/h的速率升温至800℃保温5-20 小时，再以3-8℃/h的速率降温至750℃，然后依次以0.5-1.5℃/h的速率降温至700℃、以 1.5-2.5℃/h的速率降温至600℃、以2.5-5℃/h的速率降温至500℃，最后以5-10℃/h的速 率降至室温，生长过程结束，将晶体取出即可。

本发明所述稀土掺杂正磷酸盐晶体的助熔剂法生长装置为助熔剂法晶体生长提 供一个密封的外部环境，避免晶体生长时挥发出有毒物质，且能够通过合适的生长原料配 比来避免晶体生长过程中的由于挥发导致的组分偏离，内胆底部与外壳内侧壁由传统的垂 直相交变为圆弧状，使得溶液充分对流，并且当体系中形成微小晶核时，晶核由于重力作 用，下降到底部并汇聚到一起形成一个或少量晶核，避免了大量晶核形成导致的晶体尺寸 及质量下降。

本发明对生长坩埚进行改造，使之能够确保生长过程中保持一定的蒸汽压而且挥 发物质不会扩散到空气中，减少组分改变对晶体生长的影响，同时避免有毒性的挥发物对 大气的污染和实验人员的伤害。生长装置底部的设计使得减少生长时候溶液对流的死角， 使得体系中溶剂和溶质能够充分扩散，减少杂晶的形成。适用于有挥发性的晶体生长体系 和会挥发出有毒物质的晶体生长体系。

本发明与现有技术相比，其结构简单，操作方便，成本低，能耗少，能将晶体生长温 度降低400℃，减少能源损耗，使用该装置生长出的晶体尺寸和质量高，减少有毒物质的排 放，环境友好。