[發明專利]一種稀土離子摻雜降低氟化鈣晶體解理特性的方法

在審

• 申請號: 202111593196.6
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN116377580A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 蘇良碧;方偉;寇華敏;劉榮榮;張中晗;姜大朋
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C30B29/12
• 分類號: C30B29/12;C30B11/04;C30B27/00
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種稀土離子摻雜降低氟化鈣晶體解理特性的方法。選用CaFsubgt;2/subgt;粉末作為原料，采用坩堝下降法或溫度梯度法制備氟化鈣晶體過程中，選用RFsubgt;3/subgt;作為摻雜源，通過摻雜不超過2at%的稀土陽離子Rsupgt;3+/supgt;以降低解理效應；所述稀土離子Rsupgt;3+/supgt;為Ysupgt;3+/supgt;或三價鑭系元素離子=Lasupgt;3+/supgt;～Lusupgt;3+/supgt;。

技術領域

本發明涉及一種稀土離子摻雜降低氟化鈣晶體解理特性的方法，具體涉及一種降低氟化鈣晶體解理效應的方法，屬于氟化鈣技術領域。

背景技術

氟化鈣是一種良好的光學材料，具有禁帶寬度大(帶隙為11.2eV)、透過波段寬、光學畸變小、熱透鏡效應小等特點，理論上具有較高的損傷閾值，是激光武器以及以中國神光系列裝置為代表的高功率激光工程窗口材料的首選。作為為數不多同時具有高透過率和負的折射率溫度系數(dn/dT＝-10.6×10^-6K^-1)的材料，氟化鈣晶體在光刻機物鏡系統的色差校正中發揮著不可替代的作用。然而，研究表明，CaF₂元件在實際應用過程中，容易發生解理破壞，導致晶體的實際損傷閾值較低，限制了它的實際應用。

氟化鈣晶體的陽離子(Ca²⁺)呈面心立方堆積，陰離子(F^-)占據其所有的四面體間隙位置，陰、陽離子的配位數分別為4和8。氟化鈣晶體特殊的結構使得晶體中的立方體空隙未被Ca²⁺離子完全占據，經過計算得知，尚有半數立方體空隙未被填充，正是由于這種特殊的格位填充方式，氟化鈣晶體在[111]方向上會出現互相毗鄰的同號離子層，在此方向上以靜電斥力為主，使得CaF₂晶體極易沿(111)面解理。實驗表明，熱應力作用下的解理效應是引起氟化鈣晶體激光損傷的主要原因，使得氟化鈣晶體的激光損傷形貌呈現出片狀剝離，而不是像熔石英那樣的熔融損傷。因此，解決CaF₂晶體在局部熱應力作用下的解理問題，是提高激光損傷閾值的重要途徑。

發明內容

為了解決現有氟化鈣晶體應用過程中容易沿(111)面發生解理的問題，本發明通過摻雜特定含量的R³⁺，以獲得低解理效應的氟化鈣晶體。

具體地，本發明提供了一種通過R³⁺摻雜降低氟化鈣晶體解理效應的方法，選用CaF₂粉末作為原料，采用坩堝下降法或溫度梯度法制備氟化鈣晶體過程中，選用RF₃作為摻雜源，通過摻雜0at％～2at％的R³⁺以降低解理效應；所述R³⁺為Y³⁺或三價鑭系元素離子＝La³⁺～Lu³⁺。

另一方面，本發明提供一種稀土離子摻雜的氟化鈣晶體，所述稀土離子摻雜的氟化鈣晶體的化學組成為xR:CaF₂(Ca_1-xR_xF_2+x)，其中R為Y和三價鑭系元素(元素周期表中第57號元素鑭到71號元素镥15種元素的統稱＝本發明La～Lu)中至少一種，0＜x≤2at％，優選為0＜x≤0.01。

本發明人發現稀土離子R³⁺(R＝Y、La-Lu)摻雜氟化鈣模擬結果表明，間隙F_i^-、R³⁺與周圍晶格陰離子之間的靜電相互作用、應變、鍵合數和雜化耦合控制著位點的占據和相關性，庫侖相互作用和帶相反電荷缺陷之間的應變效應將形成團簇，靜電斥力和晶格失配之間的競爭決定了間隙F_i^-在氟化鈣晶格中的位置和團簇的演化，團簇的構型取決于摻雜劑的濃度。解理是晶體受力后，由于其自身結構的原因造成晶體沿一定結晶方向裂開成光滑平面的性質，它與晶體的面密度、靜電斥力、單位面的鍵合數有關。