[發明專利]高稀土含量的硅鋁酸鹽晶體及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811252705.7
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN111101203B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 李如康;陶策
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所;中國科學院大學
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B9/12;C30B15/00;H01F1/01
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發明公開了一類高稀土含量的硅鋁酸鹽晶體及其制備方法和應用，所述硅鋁酸鹽晶體的化學式為R₅AlSi₂O₁₃，其中R為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一種；該類硅鋁酸鹽晶體可采用助熔劑法和提拉法生長晶體，具有大尺寸、光學均一性高等特點。本發明還公開了硅鋁酸鋱晶體，在633nm的Verdet系數高達?168rad/m.T，在制作磁光隔離器時可以減小晶體的長度，便于器件的緊湊，降低成本；還公開了硅鋁酸釓晶體，其理論磁熱效應因子(MCE)高達81.47J kg^?1K^?1，是商用Gd₃Ga₅O₁₅(GGG)的1.74倍，在作為磁制冷劑方面具有巨大潛力。

技術領域

本發明涉及人工晶體技術領域。更具體地，涉及高稀土含量的硅鋁酸鹽晶體及其制備方法和應用。

背景技術

1881年，Warburg首次在鐵中發現了磁熱效應，這一發現不僅是對科學界的巨大貢獻，更為此后磁制冷技術的產生和發展奠定了基礎。接著在1905 年，Langevin首次證明順磁體磁化強度的改變可以引起可逆的溫度變化。在 1927年和1927年Debye和Giauque分別從理論上推導出可以利用絕熱去磁來實現制冷的結論，并且提出利用順磁鹽在磁場下的可逆溫變獲得超低溫的構想。在1933年Giauque等根據這一構想成功實現了0.25K的低溫，此后許多順磁鹽被用作磁制冷材料，例如GGG(Gd₃Ga₅O₁₂)、DAG(Dy₃Al₅O₁₂)、GdLiF4. 富含Gd元素的順磁鹽被看做是最有希望獲得超低溫的磁制冷劑材料，因此，探索較大熵變的磁制冷劑材料，主要是采用較輕的原子與Gd原子配位，以獲得較大的磁熵變。本發明提供一種新型的含Gd原子的晶體，旨在獲得一種超低溫磁制冷材料。

當一束偏振光通過介質時，偏正面發生旋轉的現象稱為法拉第效應，亦是磁光旋轉。利用材料的磁光效應制作成具有各種光信息功能的器件稱為磁光器件，主要有磁光調制器、磁光開關、磁光隔離器、磁光環行器等磁光器件。然而，磁光器件的發展主要依賴于磁光材料的發展。

磁光材料既可以是磁光玻璃，也可以是磁光晶體。雖然磁光玻璃的應用很廣泛，但是其Verdet常數不大，無法同商業的磁光晶體相比。目前最常用的磁光晶體主要有兩種：第一種是釔鐵石榴石(Y₃Fe₅O₁₂)，由于其透光波段在(1100nm)，無法應用于可見波段；第二種是鋱鎵石榴石(TGG)，其在633nm的Verdet系數只有-134rad/m.T，仍不是很大，而且在TGG的生長過程中，組分之一的氧化鎵(Ga₂O₃)易揮發，所以很難得獲得高質量的TGG 晶體。鋱鋁石榴石(TAG)及其摻雜系列的晶體Verdet常數約為TGG的1.5 倍，然而該材料是非同成分熔體，不能用提拉法生長，目前尚未獲得塊狀高質量晶體。

盡管目前德國科學家已經研發出了立方晶系的KTbF4晶體作為磁光材料，該材料具有較低的吸收，較低的熱光系數，然而該晶體也是非同成分熔體，因此生長具有一定的困難。

基于上述磁光材料的不足，本發明把重點關注在了磷灰石型稀土硅酸鹽(apatite)，這是由于apatite類型化合物中的稀土含量較高，并且結構屬于六方高對稱晶系。考慮到氧化鎵在高溫時容易揮發，因此選擇氧化鋁，并且成功合成了整數比型化合物R₅AlSi₂O₁₃。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一類高稀土含量的硅鋁酸鹽晶體。

本發明的第二個目的在于提供高稀土含量的硅鋁酸鹽晶體的制備方法。