[发明专利]高稀土含量的硅铝酸盐晶体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一类高稀土含量的硅铝酸盐晶体及其制备方法和应用，所述硅铝酸盐晶体的化学式为R₅AlSi₂O₁₃，其中R为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种；该类硅铝酸盐晶体可采用助熔剂法和提拉法生长晶体，具有大尺寸、光学均一性高等特点。本发明还公开了硅铝酸铽晶体，在633nm的Verdet系数高达‑168rad/m.T，在制作磁光隔离器时可以减小晶体的长度，便于器件的紧凑，降低成本；还公开了硅铝酸钆晶体，其理论磁热效应因子(MCE)高达81.47J kg^‑1K^‑1，是商用Gd₃Ga₅O₁₅(GGG)的1.74倍，在作为磁制冷剂方面具有巨大潜力。

技术领域

本发明涉及人工晶体技术领域。更具体地，涉及高稀土含量的硅铝酸盐晶体及其制备方法和应用。

背景技术

1881年，Warburg首次在铁中发现了磁热效应，这一发现不仅是对科学界的巨大贡献，更为此后磁制冷技术的产生和发展奠定了基础。接着在1905 年，Langevin首次证明顺磁体磁化强度的改变可以引起可逆的温度变化。在 1927年和1927年Debye和Giauque分别从理论上推导出可以利用绝热去磁来实现制冷的结论，并且提出利用顺磁盐在磁场下的可逆温变获得超低温的构想。在1933年Giauque等根据这一构想成功实现了0.25K的低温，此后许多顺磁盐被用作磁制冷材料，例如GGG(Gd₃Ga₅O₁₂)、DAG(Dy₃Al₅O₁₂)、GdLiF4. 富含Gd元素的顺磁盐被看做是最有希望获得超低温的磁制冷剂材料，因此，探索较大熵变的磁制冷剂材料，主要是采用较轻的原子与Gd原子配位，以获得较大的磁熵变。本发明提供一种新型的含Gd原子的晶体，旨在获得一种超低温磁制冷材料。

当一束偏振光通过介质时，偏正面发生旋转的现象称为法拉第效应，亦是磁光旋转。利用材料的磁光效应制作成具有各种光信息功能的器件称为磁光器件，主要有磁光调制器、磁光开关、磁光隔离器、磁光环行器等磁光器件。然而，磁光器件的发展主要依赖于磁光材料的发展。

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。目前最常用的磁光晶体主要有两种：第一种是钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂)，由于其透光波段在(1100nm)，无法应用于可见波段；第二种是铽镓石榴石(TGG)，其在633nm的Verdet系数只有-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，所以很难得获得高质量的TGG 晶体。铽铝石榴石(TAG)及其掺杂系列的晶体Verdet常数约为TGG的1.5 倍，然而该材料是非同成分熔体，不能用提拉法生长，目前尚未获得块状高质量晶体。

尽管目前德国科学家已经研发出了立方晶系的KTbF4晶体作为磁光材料，该材料具有较低的吸收，较低的热光系数，然而该晶体也是非同成分熔体，因此生长具有一定的困难。

基于上述磁光材料的不足，本发明把重点关注在了磷灰石型稀土硅酸盐(apatite)，这是由于apatite类型化合物中的稀土含量较高，并且结构属于六方高对称晶系。考虑到氧化镓在高温时容易挥发，因此选择氧化铝，并且成功合成了整数比型化合物R₅AlSi₂O₁₃。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一类高稀土含量的硅铝酸盐晶体。

本发明的第二个目的在于提供高稀土含量的硅铝酸盐晶体的制备方法。