[發明專利]一種氟化物單晶的生長方法與裝置

有效

• 申請號: 201710442067.4
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107177884B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 王國強;李凌云
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: C30B29/12
• 分類號: C30B29/12;C30B11/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊;林文弘

1.一種氟化物單晶的生長方法，其特征在于：所述氟化物的化學式為LiLnF₄，其中Ln=Y、Gd或Lu，所述氟化物單晶的生長具體包括以下步驟：

1）采用純度均為99.99%的LiF、LnF₃與氟化劑NH₄HF₂作為原料，經研磨15~30分鐘后裝入石墨坩堝；當Ln=Y時，氟化物為LiYF₄，則步驟1）中所用原料LiF、YF₃和NH₄HF₂的摩爾比為1.04:1:0.1；當Ln=Gd時，氟化物為LiGdF₄，則步驟1）中所用原料LiF、GdF₃和NH₄HF₂的摩爾比為1.85:1:0.2；當Ln=Lu時，氟化物為LiLuF₄，則步驟1）中所用原料LiF、LuF₃和NH₄HF₂的摩爾比為1:1:0.2；

2）將步驟1）中得到的混合原料放置在晶體生長裝置中的高溫區，進行除水氟化；

3）對除水氟化后的原料混合物加熱熔融，得到熔液；用測溫熱電偶測定晶體生長裝置中不同位置的溫度，確定出所述晶體生長裝置內與熔液的結晶溫度相同的位置，稱為結晶點位置；通過下降的方式先使得熔液下降至所述結晶點位置以上2~5cm處，之后設定熔液下降的速度為0.3~0.4mm/h，并使之均勻地通過結晶點位置，靜置，之后降溫，得到所述氟化物單晶；

上述步驟2）中所述的除水氟化過程為：對剛玉管進行抽氣，使管內的氣壓達到10^-2Pa，高溫區溫度升至100~150℃，隨后恒溫恒壓12~36小時進行除水；此后再升溫至325~375℃，恒溫6~10小時進行氟化；除水氟化結束后，通入氬氣至一個大氣壓；

上述步驟3）的加熱熔融步驟具體為：將除水氟化后的所述原料混合物仍放置在晶體生長裝置中的高溫區內，之后升溫使得所述晶體生長裝置內的高溫區和低溫區均達到預設溫度，保溫熔融，得到熔液；所述高溫區的預設溫度為900~1000℃，所述低溫區的預設溫度為300~450℃；所述晶體生長裝置內的溫度梯度為25~30 ℃/cm；

所述生長方法在晶體生長裝置中進行，所述晶體生長裝置包括：爐體、剛玉管、用于支撐爐體的爐體支架以及位于爐體內的爐膛；所述爐膛包括位于爐膛上端的高溫區和下端的低溫區；所述剛玉管內固定裝有原料的石墨坩堝，并使得石墨坩堝可在爐膛內隨剛玉管上下往復升降。

2.根據權利要求1所述的生長方法，其特征在于：所述步驟3）中，降溫過程為：高溫區和低溫區均以15~25℃/h的速率降溫。

3.根據權利要求1所述的生長方法，其特征在于：所述爐體支架上設置有升降裝置，以控制位于爐膛內的剛玉管的升降，進而控制待加熱原料在所述高溫區與所述低溫區之間往復運動；所述升降裝置包括：升降橫臂、晶轉電機、直線導軌以及精密滾珠絲杠；所述升降橫臂設置在爐體支架上并用于托舉剛玉管，以實現剛玉管上下往復運動；所述晶轉電機，固定在升降橫臂中央，用于旋轉剛玉管，以使得石墨坩堝內的熔融物質快速均一化；所述直線導軌，與升降橫臂連接，以固定所述升降橫臂并使其沿上下往復運動軌跡運動；所述精密滾珠絲杠，與升降橫臂連接，并通過所述精密滾珠絲杠的轉動來帶動升降橫臂上下運動；所述的直線導軌與精密滾珠絲杠平行并列地設置在爐體支架內，并位于升降橫臂兩端。

4.根據權利要求1所述的生長方法，其特征在于：所述剛玉管與真空機械泵連接，在進氣閥門和出氣閥門同時關閉的情況下，使得剛玉管內的真空度達到10^-2Pa；所述剛玉管還與氬氣瓶連接，以使得剛玉管內保持無水無氧的氣氛；所述晶體生長裝置還包括尾氣處理裝置，即裝有Ca(OH)₂水溶液的錐形瓶，用于處理含有氟化物。

5.根據權利要求1所述的生長方法，其特征在于：所述晶體生長裝置還包括設置在爐膛外周側的加熱裝置；該加熱裝置包括位于高溫區和位于低溫區的發熱絲；在高溫區和低溫區均設置有控溫裝置，所述控溫裝置為S型控溫熱電偶。

6.根據權利要求1所述的生長方法，其特征在于：所述晶體生長裝置還包括設置在爐膛內的S型測溫熱電偶，所述測溫熱電偶固定在與升降裝置相連接的晶轉電機上，并隨著剛玉管的升降而移動，以測定不同位置的溫度；所述晶體生長裝置還包括位于爐膛上方用于密封的隔熱層，所述隔熱層為硅酸纖維板。