顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置及方法

本发明属于晶体生长，具体涉及顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置及方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、以lu2o3为例的倍半氧化物晶体具有高热导率、低声子能量、无应力集中区等优点，是一类非常适合用于激光增益介质的材料。然而，lu2o3的超高熔点(2450℃)对其体块生长提出了巨大挑战，目前已经采用了热交换法、布里奇曼法、提拉法和浮区法等方法来进行生长。此前，v.peters通过温度梯度法获得了单晶尺寸约为25cm3的lu2o3晶体，r.peters等人通过温度梯度法生长了直径为40mm、高度为30mm的掺镱lu2o3晶体。然而，人们越来越需要高质量、更大尺寸的晶体来满足先进激光系统的需求。温度梯度法是生长大体块晶体的高效方法，并已在蓝宝石、yag(钇铝石榴石)和其他材料的生长中得到广泛应用。温度梯度法的一个显著优点是它能够利用坩埚设计促进大尺寸晶体的生长，因此温度梯度法是一种极具前途的倍半氧化物晶体生长方法。

3、目前采用温度梯度法生长倍半氧化物这种超高熔点的氧化物晶体时，多采用无籽晶的方式。温度梯度法降温的过程中，表面熔体瞬间自发凝结到坩埚侧壁，内部熔体被完全覆盖，热量无法逸出进而导致轴向温度梯度过大；并且由于结晶过程中体积收缩，结晶后的晶体与下面的熔体失去接触而形成空腔。该情况下倍半氧化物结晶高度仅有15～20mm，很难获得轴向尺寸较大的晶体。此外，专利文件cn108893776a和cn109082707a提出了有籽晶的底部籽晶温度梯度法的设计发明，这两个发明通过感应加热线圈和作为发热体的坩埚共同作用，构建上热下冷的热场空间环境，使得晶体在籽晶诱导下自下往上的定向生长。但是籽晶固定在熔体下方，晶体生长过程无法肉眼观察，籽晶回熔、放肩过程无法实时调控，精准找到合适的接种温度操作难度大。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置及方法。与现有技术不同，本发明在结晶过程中，热量由籽晶传导出去，结合温场设计，营造出上冷下热的热场环境诱导结晶。晶体由籽晶根部开始结晶，由中心向四周、由上向下结晶直至坩埚侧壁。由于籽晶在下方无移动空间，结晶时籽晶与晶体硬连接后，晶体收缩产生的拉力会使籽晶根部的晶体碎裂，进而影响整个晶体的质量，因此，本发明的生长装置设置了籽晶杆防止晶体碎裂。此外，本发明中熔体熔化过程可以肉眼观察到，能够进行实时功率调控。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，包括由外至内依次设置的高频感应线圈、石英管、氧化锆温场和坩埚，所述坩埚置于连接于氧化锆温场的底座上，所述氧化锆温场和所述坩埚的顶部开孔并设置伸入坩埚内部的籽晶杆，所述籽晶杆由上至下包括上连接头、导向杆、保护杆和籽晶夹头，所述导向杆上缠绕有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的两端分别与上连接头和保护杆连接。

4、坩埚在高频感应线圈的感应下产热，作为发热体安装在温场内。降温过程中，热量通过籽晶和顶部通道的气流传递出去，构建出上冷下热的温度梯度作为结晶驱动力。

5、籽晶杆在晶体生长过程中起到缓冲作用，避免拉碎晶体和顶坏上称重系统，同时保留籽晶杆原本的刚性，避免摇晃。导向杆能够避免弹簧摇晃，从而保证杆整体的准直度。保护杆长度l满足：150mm＜l＜180mm，目的是避免超高温熔体热辐射影响缓冲弹簧的机械强度。

6、优选的，所述保护杆为中空结构，所述导向杆的上端与所述上连接头相连，所述导向杆的下端伸入并悬垂于所述保护杆内部。

7、保护杆采用中空结构，在满足缓冲弹簧设计要求的基础上避免籽晶杆过重。导向杆伸展且垂悬于保护杆内部，避免弹簧左右摇晃，以保证籽晶位置的稳定性。

8、优选的，所述籽晶夹头通过调节螺丝固定于所述保护杆，所述调节螺丝用于调节所述籽晶杆的垂直度，所述上连接头上设置连接螺丝。连接螺丝用于将上连接头连接到装置外的上称重系统

9、优选的，所述坩埚、底座和籽晶夹头的材质为铼。

10、采用熔点为3180℃的铼金属作为坩埚、底座和籽晶夹头的原材料可使其免于熔化或者挥发，籽晶杆的其他部分采用310s不锈钢材料即可。

11、优选的，所述高频感应线圈的匝数为8～14匝。

12、第二方面，本发明提供了一种顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长方法，使用如第一方面所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，包括以下步骤：

13、s1、将稀土离子倍半氧化物原料装入坩埚后将石英管抽真空，通入保护气氛后加热并保温，使稀土离子倍半氧化物原料熔化为熔体；

14、s2、将籽晶置于籽晶夹头，通过籽晶杆带动籽晶下降至熔体表面，再下降使籽晶接触熔体，降温诱导熔体结晶于籽晶；

15、s3、降温结束后，取出晶体并将晶体在空气中退火。

16、优选的，所述稀土离子倍半氧化物原料包括纯的或掺杂激活离子的lu2o3、sc2o3、y2o3或(luascbyc)2o3混晶，其中a+b+c＝1且a,b,c均不小于0并不大于1，所述激活离子包括镱离子、铒离子、钬离子、铥离子或钕离子，所述激活离子以氧化物的形式掺杂；所述籽晶包括铼、氧化镥、氧化钇或氧化钪。

17、优选的，步骤s1中，所述保护气氛包括氢气、氩氢混合气或氮氢混合气，加热至稀土离子倍半氧化物原料的熔点，保温时间为4～6h。

18、保护气氛可以有效遏制坩埚氧化，不仅可以延长坩埚的使用寿命还能保护熔体不受坩埚污染。

19、优选的，步骤s2中，籽晶的下降速度为1～3mm/min，籽晶下降至熔体表面后再下降1～3mm，降温速度为20～35k/h。

20、优选的，步骤s3中，退火温度为1550～1650℃，退火时间为36～60h。

21、通过退火可消除氧空位并释放热应力。

22、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：

23、本发明在结晶过程中，热量由籽晶传导出去，结合温场设计，营造出上冷下热的热场环境诱导结晶，避免表面熔体瞬间自发凝结导致热量无法逸出进而导致轴向温度梯度过大以及结晶过程中晶体体积收缩形成空腔的缺陷，熔体熔化过程可以肉眼观察到，能够进行实时功率调控，从而可以获得大尺寸的倍半氧化物晶体。

24、晶体由籽晶根部开始结晶，由中心向四周、由上向下结晶直至坩埚侧壁。由于籽晶在下方无移动空间，结晶时籽晶与晶体硬连接后，晶体收缩产生的拉力会使籽晶根部的晶体碎裂，进而影响整个晶体的质量，本发明的生长装置设置了籽晶杆防止晶体碎裂，提高晶体尺寸及质量。

技术特征：

1.一种顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，其特征在于，包括由外至内依次设置的高频感应线圈、石英管、氧化锆温场和坩埚，所述坩埚置于连接于氧化锆温场的底座上，所述氧化锆温场和所述坩埚的顶部开孔并设置伸入坩埚内部的籽晶杆，所述籽晶杆由上至下包括上连接头、导向杆、保护杆和籽晶夹头，所述导向杆上缠绕有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的两端分别与上连接头和保护杆连接。

2.如权利要求1所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，其特征在于，所述保护杆为中空结构，所述导向杆的上端与所述上连接头相连，所述导向杆的下端伸入并悬垂于所述保护杆内部。

3.如权利要求1所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，其特征在于，所述籽晶夹头通过调节螺丝固定于所述保护杆，所述调节螺丝用于调节所述籽晶杆的垂直度，所述上连接头上设置连接螺丝。

4.如权利要求1所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚、底座和籽晶夹头的材质为铼。

5.如权利要求1所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，其特征在于，所述高频感应线圈的匝数为8～14匝。

6.一种顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长方法，其特征在于，所述稀土离子倍半氧化物原料包括纯的或掺杂激活离子的lu2o3、sc2o3、y2o3或(luascbyc)2o3混晶，其中a+b+c＝1且a,b,c均不小于0并不大于1，所述激活离子包括镱离子、铒离子、钬离子、铥离子或钕离子，所述激活离子以氧化物的形式掺杂；所述籽晶包括铼、氧化镥、氧化钇或氧化钪。

8.如权利要求6所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长方法，其特征在于，步骤s1中，所述保护气氛包括氢气、氩氢混合气或氮氢混合气，加热至稀土离子倍半氧化物原料的熔点，保温时间为4～6h。

9.如权利要求6所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长方法，其特征在于，步骤s2中，籽晶的下降速度为1～3mm/min，籽晶下降至熔体表面后再下降1～3mm，降温速度为20～35k/h。

10.如权利要求6所述的顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长方法，其特征在于，步骤s3中，退火温度为1550～1650℃，退火时间为36～60h。

技术总结本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置及方法。顶部籽晶式温度梯度法倍半氧化物晶体生长装置，其特征在于，包括由外至内依次设置的高频感应线圈、石英管、氧化锆温场和坩埚，坩埚置于连接于氧化锆温场的底座上，氧化锆温场和坩埚的顶部开孔并设置伸入坩埚内部的籽晶杆，籽晶杆由上至下包括上连接头、导向杆、保护杆和籽晶夹头，导向杆上缠绕有缓冲弹簧，缓冲弹簧的两端分别与上连接头和保护杆连接。本发明在结晶过程中营造出上冷下热的热场环境诱导结晶，晶体由籽晶根部开始结晶，由中心向四周、由上向下结晶直至坩埚侧壁。本发明的生长装置设置了籽晶杆防止晶体碎裂。技术研发人员：尹延如,丁晓圆,陶绪堂,贾志泰受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13