專利名稱：鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈮酸鋰晶體是一種集壓電、電光、聲光、非線性、光折變及激光活性等效應(yīng)于一身 的晶體材料，其在光學(xué)全息存儲(chǔ)、倍頻、調(diào)制、聲表面波、頻譜分析、紅外探測(cè)器、光圖像處 理、光放大、光轉(zhuǎn)換、光開(kāi)關(guān)、窄帶濾波、相位共軛和參量振蕩等眾多方面有廣泛的應(yīng)用，是 至今人們所發(fā)現(xiàn)的光學(xué)性能最多、綜合指標(biāo)最好的人工晶體。現(xiàn)已廣泛用于制作各種光學(xué) 及壓電器件，并在光子海量存儲(chǔ)器、光學(xué)集成等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，被公認(rèn)為光電子 時(shí)代的“光學(xué)硅”的主要候選材料之一。近年來(lái)，上轉(zhuǎn)換可見(jiàn)光在紅外探測(cè)，顯示技術(shù)，信息技術(shù)以及上轉(zhuǎn)換激光器等方面 的研究越來(lái)越受到人們的重視。目前，有人通過(guò)稀土離子的摻雜實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換可見(jiàn)光的輸 出，但基質(zhì)材料多集中在各向同性的材料中，例如納米材料，玻璃材料，陶瓷材料和有機(jī)材 料等等，且由于均勻性，穩(wěn)定性等限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)制備的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料存在應(yīng)用局限性的技術(shù)問(wèn)題；而提 供了鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法。本發(fā)明中鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶，鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體由 Li2C03、Nb205、Ho203、Yb2O3 和 Tm2O3 制成；其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 85 1. 38 1， Ho2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為0. 5% 5% (摩爾)，Tm2O3 的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)。本發(fā)明中鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的一、稱取 Li2C03> Nb2O5, Ho2O3^Yb2O3 和 Tm2O3,其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 85 1. 38 1，Ho2O3 的摻雜濃度為0. 01 % 1 % (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為0. 5% 5% (摩爾)，Tm2O3的摻 雜濃度為0.01% (摩爾)；二、將步驟一稱取的Li2C03、Nb205、Ho203、Yl3203和Tm2O3均勻 混合后放入鉬坩堝，然后置于650 750°C的環(huán)境中燒結(jié)1 5h，再升溫至1100 1200°C的 環(huán)境中燒結(jié)1 4h，隨爐冷卻至室溫；三、采用提拉法生長(zhǎng)晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、 等徑生長(zhǎng)、拉脫和退火程序，得到多疇晶體；四、將多疇晶體置于極化爐內(nèi)，室溫下以580 6000C /h的速度升溫至1160 1200°C，在極化電流密度為4 6mA/cm2的條件下極化20 40min,然后以70 90°C /h的速度退火至室溫，即得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，鈥鐿銩三摻 雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單晶。本發(fā)明方法鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體在紅外光的激發(fā)下，同時(shí)產(chǎn)生位于660nm的 紅光發(fā)射，550nm左右的綠光發(fā)射和475nm左右的藍(lán)光發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換紅綠藍(lán)光的同時(shí) 輸出。本發(fā)明方法得到鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的物理化學(xué)穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性高，均勻性 好且具有各相異性，集優(yōu)良的壓電、電光、聲光和非線性光學(xué)集于一身，這種發(fā)光材料的研究不僅具有廣闊的應(yīng)用前景，還將對(duì)設(shè)備的集成化以及設(shè)備的小型化發(fā)展起關(guān)鍵性作用。 為鈮酸鋰晶體在照明及夜視方面提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。


圖1是具體實(shí)施方式
十七中所得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體在980nm紅外光激發(fā)下 的上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖；圖2是具體實(shí)施方式
十七中所得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的XRD圖， 圖2中a表示鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的XRD圖，b表示鈮酸鋰晶體標(biāo)準(zhǔn)樣X(jué)RD圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的 任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶，鈥鐿 銩三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3和Tm2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩 爾比為0. 85 1. 38 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為
0.5% 5%(摩爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0.01% (摩爾)。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述Li2CO3和Nb2O5的 摩爾比為0. 946 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 1 % (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為3% (摩爾)， Tm2O3的摻雜濃度為0.6% (摩爾)。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是所述的Li2C03、 Nb2O5,Ho2O3^Yb2O3和Tm2O3的質(zhì)量純度均高于99. 99%。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一 或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法是按下述步驟 進(jìn)行的一、稱取 Li2CO3、Nb2O5、Ho203、Yb203 和 Tm2O3，其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 85
1.38 1，Ηο203的摻雜濃度為0.01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為0.5% 5% (摩 爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)；二、將步驟一稱取的Li2C03、Nb2O5, Ho203、 Yb2O3和Tm2O3均勻混合后放入鉬坩堝，然后置于650 750°C的環(huán)境中燒結(jié)1 5h，再升溫 至1100 1200°C的環(huán)境中燒結(jié)1 4h，隨爐冷卻至室溫；三、采用提拉法生長(zhǎng)晶體經(jīng)引 晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長(zhǎng)、拉脫和退火程序，得到多疇晶體；四、將多疇晶體置于極化 爐內(nèi)，室溫下以580 600°C /h的速度升溫至1160 1200°C，在極化電流密度為4 6mA/ cm2的條件下極化20 40min，然后以70 90°C /h的速度退火至室溫，即得鈥鐿銩三摻雜 鈮酸鋰晶體，鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單晶。本實(shí)施方式在步驟三中引晶程序?qū)⒔?jīng)過(guò)燒結(jié)的多晶料升溫至熔化，并保持熔化 溫度lh，然后緩慢降低溫度至籽晶在熔體中不熔不化，停止降溫，籽晶在此溫度下繼續(xù)生 長(zhǎng)。本實(shí)施方式晶體拉脫后退火可消除或減小晶體熱應(yīng)力以及摻雜帶來(lái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟一中稱取Li2C03、 Nb2O5、Ho2O3、Yb2O3 和 Tm2O3 ；其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 946 LHo2O3 的摻雜濃度為 0. Imol %, Yb2O3的摻雜濃度為3mol%，Tm2O3的摻雜濃度為0. 6mol%。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四或五不同的是步驟二中置于700°C的環(huán)境中燒結(jié)池，再升溫至1150°C的環(huán)境中燒結(jié)池。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方 式四或五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至六之一不同的是步驟二中多 晶料熔化溫度為1250°C。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至七之一不同的是步驟三中引 晶程序中籽晶在不熔不化溫度下繼續(xù)生長(zhǎng)2mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至七之 一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至八之一不同的是步驟三中引 晶、放肩、收肩和等徑生長(zhǎng)過(guò)程中保持15 30r/min的轉(zhuǎn)速和0. 1 2mm/h的晶體提拉生 長(zhǎng)速度；在退火程序中晶體保持10 15r/min的旋轉(zhuǎn)速度。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方 式四至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至九之一不同的是步驟三中縮 頸程序中籽晶的直徑縮細(xì)為在1 2mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至十之一不同的是步驟三中 等徑生長(zhǎng)程序中溫度以1°C /h的速度下降。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至十之一相 同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至十一之一不同的是步驟三 中晶體提拉生長(zhǎng)速度為0. 5mm/h。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至十一之一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至十二之一不同的是步驟三 中晶體向上拉脫2mm，升溫0. 1 2°C，保持1 lOmin，然后進(jìn)行退火。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至十二之一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至十三之一不同的是步驟三 中退火程序中溫度以20 80°C /h的速度退火，降低溫度至室溫。其它步驟和參數(shù)與具體 實(shí)施方式四至十三之一相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至十四之一不同的是步驟四 中室溫下以500°C /h的速度升溫至1180°C，在極化電流密度為5mA/cm2的條件下極化2h， 然后以80°C /h的速度退火。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四至十五之一不同的是步驟一 所述的Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3和Tm2O3的質(zhì)量純度均高于99. 99%。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
四至十五之一相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式制備Ho，Yb和Tm三摻雜鈮酸鋰晶體的方法按以 下步驟實(shí)現(xiàn)一、稱取Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3和Tm2O3，其中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為 0. 946 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. Imol %, Yb2O3的摻雜濃度為3mol %，Tm2O3的摻雜濃度為 0. 6mol% ；二、將稱取的Li2C03、Nb2O5, Ho203、Yb2O3和Tm2O3均勻混合后放入鉬坩堝，然后置 于700°C的環(huán)境中燒結(jié)3h，再升溫至1150°C的環(huán)境中燒結(jié)3h，隨爐冷卻至室溫；三、采用提 拉法生長(zhǎng)晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長(zhǎng)、拉脫和退火程序，得到多疇晶體；四、 將多疇晶體進(jìn)行極化，室溫下以500°C /h的速度升溫至1200°C，在極化電流密度為5mA/cm2 的條件下極化30min，然后以80°C /h的速度退火至室溫，即得HoJb和Tm三摻雜鈮酸鋰晶 體。其中步驟三中引晶程序?qū)⒔?jīng)過(guò)燒結(jié)的多晶料升溫至熔化，并保持熔化溫度lh，然后緩慢降低溫度至籽晶在熔體中不熔不化，停止降溫，籽晶在此溫度下繼續(xù)生長(zhǎng)。鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單晶。步驟一所述Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3 和 Tm2O3 的質(zhì)量純度均為 99. 999%。本實(shí)施方式中所得Ho，Yb和Tm三摻雜鈮酸鋰晶體經(jīng)Y面定向切割和拋光后進(jìn)行 上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜測(cè)試。在紅外光的激發(fā)下，同時(shí)產(chǎn)生位于660nm的紅光發(fā)射，550nm左右的 綠光發(fā)射和475nm左右的藍(lán)光發(fā)射。通過(guò)Ho，Yb和Tm離子的摻雜實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰單晶體系 中上轉(zhuǎn)換可見(jiàn)光的輸出。由圖2可知摻雜之后產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。
權(quán)利要求
1.鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶， 鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、Nb205、Ho203、Yb203和Tm2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的 摩爾比為0. 85 1. 38 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度 為0.5% 5% (摩爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0.01% (摩爾)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于所述Li2CO3和Nb2O5的 摩爾比為0. 946 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 1 % (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為3% (摩爾)， Tm2O3的摻雜濃度為0. 6% (摩爾)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于所述的Li2C03、 Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3 和 Tm2O3 的質(zhì)量純度均高于 99. 99%。
4.如權(quán)利要求1所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于鈥鐿銩三摻雜 鈮酸鋰晶體的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的一、稱取Li2C03、Nb205、Ho203、Yb203和Tm2O3，其 中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為0.85 1.38 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 01 % 1 % (摩爾)， Yb2O3的摻雜濃度為0. 5% 5% (摩爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)；二、 將步驟一稱取的Li2C03、Nb205、Ho203、Yb203和Tm2O3均勻混合后放入鉬坩堝，然后置于650 750°C的環(huán)境中燒結(jié)1 5h，再升溫至1100 1200°C的環(huán)境中燒結(jié)1 4h，隨爐冷卻至室 溫；三、采用提拉法生長(zhǎng)晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長(zhǎng)、拉脫和退火程序，得到 多疇晶體；四、將多疇晶體置于極化爐內(nèi)，室溫下以580 600°C /h的速度升溫至1160 12000C，在極化電流密度為4 6mA/cm2的條件下極化20 40min，然后以70 90°C /h的 速度退火至室溫，即得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單 晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中引 晶程序中籽晶在不熔不化溫度下繼續(xù)生長(zhǎng)2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中引 晶、放肩、收肩和等徑生長(zhǎng)過(guò)程中保持15 30r/min的轉(zhuǎn)速和0. 1 2mm/h的晶體提拉生 長(zhǎng)速度；在退火程序中晶體保持10 15r/min的旋轉(zhuǎn)速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中縮 頸程序中籽晶的直徑縮細(xì)為在1 2mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中等 徑生長(zhǎng)程序中溫度以1°C /h的速度下降。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中晶 體向上拉脫2mm，升溫0. 1 2°C，保持1 lOmin，然后進(jìn)行退火。
10.根據(jù)權(quán)利要求4 9中任一項(xiàng)所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在 于步驟三中退火程序中溫度以20 80°C /h的速度退火，降低溫度至室溫。
全文摘要
鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法，它屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)制備的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料存在應(yīng)用局限性的技術(shù)問(wèn)題。鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶，其由Li2CO3、Nb2O5、Ho2O3、Yb2O3和Tm2O3制成。方法一、稱取；二、燒結(jié)；三、采用提拉法生長(zhǎng)晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長(zhǎng)、拉脫和退火程序，得到多疇晶體；四、極化，即得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體。本發(fā)明方法鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換紅綠藍(lán)光的同時(shí)輸出，物理化學(xué)穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性高，均勻性好且具有各相異性，對(duì)設(shè)備的集成化以及設(shè)備的小型化發(fā)展起關(guān)鍵性作用。為鈮酸鋰晶體在照明及夜視方面提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)C30B29/30GK102094241SQ20111006050
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者徐衍嶺, 王銳, 邢麗麗, 郭倩, 錢艷楠 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)