專利名稱：高溫相偏硼酸鋇(α－BaB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫相偏硼酸鋇(α-BaB2O4)晶體的生長方法。
高溫相偏硼酸鋇晶體(簡稱α-BBO)是一種新型的雙折射晶體，它屬三方晶系(a＝b＝0.7235nm，c＝3.9192nm，α＝β＝90°，γ＝120°)，空間群為R3c，為負(fù)單軸晶，透光范圍寬(190nm～3500nm)，雙折射率大，是一種極具潛力、有望部分取代天然方解石的新型雙折射晶體，可制作成各種規(guī)格的棱鏡和光學(xué)器件，如渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡、格蘭—泰勒棱鏡、偏光棱鏡和光隔離器件等等。
偏硼酸鋇BaB2O4存在高溫(α-BaB2O4)和低溫(β-BaB2O4)兩個相，其相變溫度為925℃。β相無對稱中心，是個性能優(yōu)良的倍頻晶體，由中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所陳創(chuàng)天等人發(fā)明，用熔鹽法生長，參閱文獻(xiàn)中國科學(xué)，第7期(1984)598-604。α相有對稱中心，一致共熔，熔點為1100℃，可用提拉法生長，1966年由A.D.Mighell，A.Perloff和S.Block等人合成，并給出了詳細(xì)結(jié)構(gòu)，參閱文獻(xiàn)Acta Cryst.20(1966)819-823。
1996年初中國科學(xué)院上海光學(xué)精密研究所與福建福州科騰光電有限公司合作，將α-BBO晶體作為性能優(yōu)良的雙折射晶體，用提拉法生長大尺寸(Φ50mm)晶體獲得成功。但由于熔體中硼-氧環(huán)[B3O6]3-的存在以及晶體生長習(xí)性的影響，晶體各方向生長速率差別太大，[110]方向生長速率快，
方向生長速率最慢，晶體外形難以控制；另外，由于α-BaB2O4晶體各方向的熱膨脹系數(shù)相差很大α∥a軸＝5.391×10-6，α∥c軸＝1.089×10-5(而對于β-BBOα∥a軸＝1.716×10-5，α∥c軸＝1.932×10-5相差不大)，因此α-BBO晶體生長時易開裂，影響了晶體的成品率和利用率。
本發(fā)明的目的是要克服上述用提拉法生長α-BaB2O4晶體的缺點，解決晶體外形難以控制，在晶體生長過程中，由于晶體各方向的熱膨脹系數(shù)相差較大，因而造成晶體容易開裂的問題，以致提高長出大尺寸的α-BaB2O4晶體的成品率和利用率。
本發(fā)明提出用坩堝下降法生長大尺寸α-BaB2O4晶體，其關(guān)鍵技術(shù)是從α-BaB2O4的熔體底部結(jié)晶，坩堝下降，固液界面自下而上移動生長晶體。
本發(fā)明所用的坩堝下降法生長α-BaB2O4晶體的裝置為電阻加熱溫梯爐見圖1，爐體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括坩堝和發(fā)熱體，坩堝1是置于爐體內(nèi)中心位置上，用陶瓷管2支撐，在陶瓷管2內(nèi)充填以Al2O3粉末作為保溫層3，陶瓷管2連同保溫層3一起置于下降傳動裝置4上。發(fā)熱體5位于坩堝周圍，由氧化鋁耐火磚6環(huán)繞。在上下爐膛之間安裝一個隔熱檔板7，以減少上腔溫度對下腔溫度的影響，形成較大的溫度梯度。還有供測量和監(jiān)控溫度用的Pt-Rh或Ni-Cr熱電偶8伸到坩堝1底部。爐體之外還有UPS穩(wěn)壓電源和818P4歐路精密控溫系統(tǒng)。坩堝1由鉑(Pt)金制成，坩堝底部為圓錐形，中心有一籽晶槽9，使結(jié)晶料充分熔解又保證籽晶不被熔化。坩堝頂端帶有一鉑(Pt)金片所做成的坩堝蓋10，有效地抑制α-BaB2O4熔體的揮發(fā)。
發(fā)熱體5由硅鉬或硅碳材料制成，熔體中的溫度分布是底部溫度低，上部溫度高，主要通過調(diào)節(jié)發(fā)熱體5和隔熱板7的位置，以形成一個合理的溫度梯度。圖2是爐膛內(nèi)較合理的溫度分布曲線。
α-BaB2O4晶體具體生長工藝流程如下(1)在坩堝1的籽晶糟9內(nèi)放入定向籽晶。(2)按1∶(1+x)(x＝0～0.1)配比的高純BaCO3和B2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合。(3)用壓料機(jī)壓塊成形，高溫?zé)Y(jié)或直接裝入坩堝1中，加上坩堝蓋10，置于電阻加熱溫梯爐中。(4)加熱升溫，至熔體溫度約1100℃左右，恒溫1-4小時。(5)以0.1-1mm/h速率下降坩堝，生長晶體的過程中合適的坩堝1下降速率有利于晶體結(jié)晶完整。待晶體結(jié)晶完畢，緩慢降溫至室溫。
本發(fā)明生長方法的優(yōu)點與已有的α-BBO晶體生長方法(提拉法Czochraski)相比，本發(fā)明的坩堝下降法生長的晶體外形與坩堝形狀一致，為圓柱形，克服了提拉法生長的晶體外形難以控制的缺點。同時，由于坩堝下降法晶體中存在著均勻的溫度梯度，采用c軸籽晶，熱膨脹差異的熱應(yīng)變小，晶體不易開裂。另外坩堝下降法從坩堝底部結(jié)晶生長，坩堝頂部加蓋有效抑制了熔體組分揮發(fā)。晶體質(zhì)量高于提拉法生長的晶體，晶體尺寸大，提高了成品率和利用率，可滿足各類光學(xué)器件制造的市場需求。


圖1是坩堝下降法所用的電阻加熱溫梯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖2為爐膛內(nèi)溫場分布曲線。
實施例1用上述的坩堝下降法、電阻加熱溫梯爐和具體的工藝流程進(jìn)行α-BBO晶體生長鉑(Pt)金制成坩堝1尺寸為Φ50×100mm，坩堝底錐度為120°。
定向籽晶。按1∶1.02(即x＝0.02)非化學(xué)配比稱量的BaCO3和B2O3粉料，在混料機(jī)中混合12小時后，用2t/cm2的等靜壓力鍛壓成塊，直接裝入坩堝1中，加上坩堝蓋10，置于電阻加熱溫梯爐中，加熱升溫至熔體溫度約1100℃左右，恒溫4小時，以0.5mm/hr速率下降坩堝。結(jié)晶完成后，以25℃/hr速率降溫48小時至室溫，生長全過程結(jié)束。長成的晶體尺寸大，圓柱形體表面光滑，晶體質(zhì)量明顯好于用提拉法生長的α-BaB2O4晶體。
權(quán)利要求
1.一種高溫相偏硼酸鋇(α-BaB2O4)晶體的生長方法，其特征在于置于電阻加熱溫梯爐內(nèi)的坩堝(1)內(nèi)的α-BaB2O4熔體是從底部開始結(jié)晶，坩堝(1)下降，固液界面自下而上移動至形成晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的高溫相偏硼酸鋇(α-BaB2O4)晶體的生長方法，其特征在于具體生長的工藝流程是(1)在電阻加熱溫梯爐內(nèi)坩堝(1)底部的籽晶糟(9)內(nèi)放入定向籽晶，(2)按1∶(1+x)配比的高純BaCO3和B2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合，其中x＝0～0.1，(3)用壓料機(jī)將上述混合后的粉料壓塊成形，高溫?zé)Y(jié)或直接裝入坩堝(1)中，加上坩堝蓋(10)，置于電阻加熱溫梯爐內(nèi)，(4)加熱升溫，至熔體溫度約1100℃左右，恒溫1-4小時，(5)以0.1-1mm/h速率下降坩堝，待結(jié)晶完畢后緩慢降溫至室溫，晶體生長完畢。
全文摘要
一種高溫相偏硼酸鋇(α－BaB
文檔編號C30B15/00GK1196405SQ97106378
公開日1998年10月21日 申請日期1997年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月15日
發(fā)明者徐軍, 鄧佩珍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所