[发明专利]一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法

说明书

本发明属于晶体生长技术领域，公开了一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法。特征是：(1)按照Y₃Fe₅O₁₂分子式化学计量比分别称量Y₂O₃和Fe₂O₃研磨至均匀，烧结得到多晶料；(2)多晶料与助熔剂(比如PbO、Bi₂O₃)按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金属坩埚内；(3)将坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；(4)升温、保温、化料，待原料完全熔化、达到温度平衡后，在坩埚底部迅速通入气体，诱导快速成核结晶，同时降温实现晶体生长。本方法工艺设备简单，操作方便，可调节多重参数，满足不同成分的晶体生长。

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体公开了一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法。

背景技术

磁光效应是指光与磁光物质相互作用所产生的各种光学现象，包括法拉第效应、克尔效应、科顿-穆顿效应、塞曼效应以及光磁效应，目前应用最广泛的是法拉第效应和克尔效应。作为一类重要的磁光材料，磁光晶体具有Verdet常数高、光学质量好、导热好和损伤阈值高等优点，广泛应用于调制器、隔离器、环行器、磁光开关、磁光传感器等各种光学器件。其中，钇铁石榴石晶体是红外波段中应用最广的磁光晶体，在5G通讯、电子对抗、激光调制等领域具有重要地位。钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂，简称YIG)具有典型的石榴石型晶体结构，属于立方晶系，理论密度为5.171g/cm³，是一种性能优异的亚铁磁性铁氧体材料。Y³⁺为非磁性离子，YIG晶体所含的磁性离子只有Fe³⁺，通过稀土掺杂或置换，可以形成ReIG系列磁光晶体，满足不同应用需求

从相图上看，Y₂O₃组分的熔点为2425℃，Fe₂O₃组分的熔点为1539℃，它们可以形成多种化合物，比如YFeO₃、Y₃Fe₅O₁₂(YIG)。其中YIG的熔点为1550℃，并且是非一致熔融化合物，从高温熔体中生长晶体时会发生包晶反应、共晶反应，生成YFeO₃、Fe₃O₄等杂相。因此，各种生长方法都需要添加助熔剂，比如传统助熔剂法、助熔剂-提拉法、助熔剂-下降法等等。目前，使用最多的助熔剂有PbO体系、Bi₂O₃体系、Fe₂O₃体系等。虽然助熔剂可以降低生长温度，避开包晶反应、共晶反应生成的杂相，但由于溶质含量少、自发成核、生长缓慢等因素，助熔剂相关方法生长的晶体尺寸都比较小，生长周期长达数十天。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，以解决现有技术中晶体生长周期长的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种快速生长钇铁石榴石晶体的方法，采用底部通气诱导成核进行单晶生长，包括以下步骤：

(1)按照Y₃Fe₅O₁₂分子式化学计量比分别称量Y₂O₃和Fe₂O₃研磨至均匀，在1000-1300℃温度下烧结10-15h，得到多晶料；

(2)多晶料与助熔剂(比如PbO、Bi₂O₃)按照设计组成配料，并研磨混合均匀，装入铂金坩埚内；

(3)将步骤(2)的坩埚置于事先设计好的具有通气系统的保温陶瓷管内，置于三温区的垂直凝固炉内，调整位置使其处于需要的高度；