In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体及其制备方法

专利名称：In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铌酸锂晶体及其制备方法。
技术背景铌酸锂(LiNb03)晶体是一种用途广泛的人工晶体，具有良好的压电、电光、 声光和非线性光学性能，在全息存储、位相共轭、光波导等领域都有着极其重 要的地位。铌酸锂晶体材料大多是相同成分组成，其总表现为锂缺少，由于晶体中严 重缺锂，从而形成大量的本征结构缺陷，使铌酸锂晶体作为光折变晶体在全息 存储的应用受到很大限制，主要体现在衍射率低，响应时间长，而且抗光损伤 能力不高。目前，有采用掺杂Fe和Cu来提高铌酸锂晶体的衍射效率，但响 应时间长，高达2579.6s，抗光损伤能力低，仅为4.30xl(fW/cm2。发明内容本发明目的是为了解决现有技术制备的掺杂Fe和Cu的酸锂晶体存在响 应时间慢和抗光损伤能力低的问题，而提供一种In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶 体及其制备方法。本发明In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体由Li2C03、 Nb205、 Fe203、 CuO 和111203制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩尔比为0.85 1.38 : 1， Fe203的掺杂 浓度为0.073 0.077%(质量)，CuO的掺杂浓度为0.018 0.022%(质量)，ln203 的掺杂浓度为0.5 1.5mol%。制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法按以下步骤实现 一、称取 Li2C03、 Nb205、 Fe203、 CuO和ln203，其中Li2C03和Nb205的摩尔比为0.85 1.38 : l，Fe203的掺杂浓度为0.073 0.077。/()(质量)，CuO的掺杂浓度为0.018 0.022%(质量)，111203的掺杂浓度为0.5 1.5mol°/。； 二、将称取的Li2C03、Nb205、 Fe203、 CuO和111203混合均匀后放入铂坩埚，然后置于650 750。C的环境中 烧结l 3h，再升温至1000 1050。C烧结l 3h，冷却至室温；三、采用提拉 法生长晶体经引晶、縮颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火程序，得多畴晶体；四、将多畴晶体放入极化炉中，室温下以450 550°C/h的速度升温 至1150 1250°C，在极化电流密度为4 6mA/cm"的条件下极化l 3h，然后 以70 9(TC/h的速度退火，降低温度至室温，得单畴晶体；五、对单畴晶体 进行氧化处理或还原处理，即得In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体；其中步骤三 中引晶程序将经过烧结的多晶料升温至熔化，并保持熔化温度30min，然后 缓慢降低温度，至籽晶在熔体中不熔不化停止降温，籽晶在此温度下继续生长。本发明在铌酸锂晶体中掺杂元素铟(In)、铁(Fe)和铜(Cu)，在保留铌酸锂晶 体原有优良性能的基础上，明显提高了铌酸锂晶体的抗光损伤能力高达 0.72x104 2.7xl04W/cm2，縮短了响应时间，仅为62.5 1780.1s。
具体实施方式
具体实施方式
一本实施方式In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体由Li2C03、 Nb205、Fe203、CuO和ln203制成；其中Li2C03和Nb205的摩尔比为0.85 1.38 : 1， Fe203的掺杂浓度为0.073 0.077%(质量)，CuO的掺杂浓度为0.018 0.022%(质量)，ln203的掺杂浓度为0.5 1.5mol%。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是In、 Fe和Cu 三掺杂铌酸锂晶体由Li2C03、 Nb205、 Fe203、 010和111203制成；其中Li2C03 和Nb20s的摩尔比为0.946 : 1， Fe203的掺杂浓度为0.075%(质量)，CuO的掺 杂浓度为0.020%(质量)，111203的惨杂浓度为1.0mol%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是Li2C03、. Nb205、 Fe203、 CuO和ln203的质量纯度均高于99.99%。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法 按以下步骤实现 一、称取Li2C03、 Nb205、 Fe203、 CuO和ln203，其中Li2C03 和则205的摩尔比为0.85 1.38 : 1，Fe2O3的掺杂浓度为0.073 0.077。/。(质量)， CuO的掺杂浓度为0.018 0.022%(质量)，ln203的掺杂浓度为0.5 1.5mol%; 二、将称取的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 CuO和ln203混合均匀后放入钥柑埚， 然后S于650 750°C的环境中烧结l 3h，再升温至1000 1050。C烧结l 3h， 冷却至室温；三、采用提拉法生长晶体经引晶、縮颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火程序，得多畴晶体；四、将多畴晶体放入极化炉中，室温下以 450二550。C/h的速度升温至1150 1250°C，在极化电流密度为4 6mA/cm2 的条件下极化l 3h，然后以70 9(TC/h的速度退火，降低温度至室温，得单 畴晶体；五、对单畴晶体进行氧化处理或还原处理，即得In、 Fe和Cu三掺杂 铌酸锂晶体；其中步骤三中引晶程序将经过烧结的多晶料升温至熔化，并保持烙化温度30min，然后缓慢降低温度，至籽晶在熔体中不熔不化停止降温， 籽晶在此温度下继续生长。本实施方式晶体拉脱后退火可消除或减小晶体的热应力以及掺杂带来的 结构应力。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤一中称取 Li2C03、Nb205、Fe203、 CuO和ln203，其中Li2C03和Nb205的摩尔比为0.946 : 1， Fe203的掺杂浓度为0.075%(质量)，CuO的掺杂浓度为0.020%(质量)，ln203 的掺杂浓度为1.0mol%。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤二中置于 70(TC的环境中烧结2h，再升温至100(TC烧结2h。其它步骤及参数与具体实 施方式四相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中多晶料 熔化温度为1240。C。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中引晶程 序中籽晶在不熔不化温度下继续生长2mm。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中引晶、 放肩、收肩和等径生长程序中保持10 15r/min的转速和2 2.5mm/h的晶体 提拉生长速度；在退火程序中晶体保持15r/min的旋转速度。其它步骤及参数 与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中縮颈程 序中将籽晶的直径缩细为2 3mm。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。本实施方式可以消除籽晶本身的光学缺陷，并将籽晶本身的位错缺陷引入 生长晶体的几率降到最低。
具体实施方式
i^一本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中縮颈 程序中籽晶的直径縮细为2 3mm后以10 15r/min的转速、1 2mm/h的速 度向上斜放肩。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中收肩 程序的温度高于放肩程序末温度4°C。其它步骤及参数与具体实施方式
四相 同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中等径生长程序中温度以rc/h的速度降温生长。其它步骤及参数与具体实施方式
四 相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中提拉 轴向温度梯度液面上为40 50°C/cm、液面下为15 25°C/cm，提拉径向温 度梯度为4 6°C/cm。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中拉脱 程序中停止提拉后立即将晶体提升出液面。其它步骤及参数与具体实施方式
四 相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤三中以70 9(TC/h的速度退火，降低温度至室温。其它步骤及参数与具体实施方式
四 相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤四中室温下以500°C/h的速度升温至1200°C，在极化电流为5mA/ci^的条件下极化2h， 然后以80°C/h的速度退火。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤五中对单 畴晶体进行氧化处理是在富氧气氛下，以500 600°C/h的速度升温950 1050 °C，保温l 3h，然后以70 90。C/h的速度退火，降低温度至室温。其它步骤 及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤五中对单 畴晶体进行还原处理是以400 500°C/h的速度升温500 550°C，保温18 20h，然后以50 55。C/h的速度退火，降低温度至室温。其它步骤及参数与具 体实施方式四相同。
具体实施方式
二十本实施方式制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方 法按以下步骤实现 一、称取Li2C03、 Nb2Os、 Fe203、 CuO和ln203，其中Li2C03 和Nb205的摩尔比为0.946 : 1， Fe203的掺杂浓度为0.075%(质量)，CuO的掺 杂浓度为0.020%(质量)，ln203的掺杂浓度为0.5mol%; 二、将称取的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 010和111203混合均匀后放入铂坩埚，然后置于700。C的环境 中烧结2h，再升温至IOO(TC烧结2h，冷却至室温；三、采用提拉法生长晶体 经引晶、縮颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火程序，得多畴晶体；四、 将多畴晶体放入极化炉中，室温下以50(TC/h的速度升温至120(TC，在极化电 流密度为5mA/cm2的条件下极化2h，然后以80°C/h的速度退火，降低温度至 室温，得单畴晶体；五、对单畴晶体进行氧化处理或还原处理，即得In、 Fe 和Cu三掺杂铌酸锂晶体；其中步骤三中引晶程序将经过烧结的多晶料升温 至熔化，并保持熔化温度30min，然后缓慢降低温度，至籽晶在熔体中不熔不 化停止降温，籽晶在此温度下继续生长。本实施方式中氧化处理后所得In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体经定向切割 和打磨抛光后进行测试，抗光损伤能力高达2.7x104 W/cm2，响应时间为 1780.1s。本实施方式中还原处理后所得In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体经定向切割 和打磨抛光后进行测试，抗光损伤能力为0.72xl04W/cm2，响应时间高达62.5s。
权利要求
1、In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体，其特征在于In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体由Li2CO3、Nb2O5、Fe2O3、CuO和In2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩尔比为0.85～1.38∶1，Fe2O3的掺杂浓度为0.073～0.077％(质量)，CuO的掺杂浓度为0.018～0.022％(质量)，In2O3的掺杂浓度为0.5～1.5mol％。
2、 根据权利要求1所述的In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体，其特征在于 In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体由Li2C03、 Nb205、 Fe203、 010和111203制成； 其中Li2CO3和Nb2Os的摩尔比为0.946 : l，Fe203的掺杂浓度为0.075%(质量)， CuO的掺杂浓度为0.020% (质量)，ln203的掺杂浓度为1.0mol°/。。
3、 根据权利要求1或2所述的In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体，其特征 在于Li2C03、 Nb205、 Fe203、 CuO和ln203的质量纯度均高于99.99%。
4、 制备如权利要求1所述的In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法，其 特征在于制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法按以下步骤实现 一、称 取Li2C03、 Nb2Os、 Fe203、 CuO和ln203，其中Li2C03，n >^>205的摩尔比为 0.85 1.38 : 1， Fe203的掺杂浓度为0.073 0.077°/。(质量)，CuO的掺杂浓度为 0.018 0.022%(质量)，111203的掺杂浓度为0.5 1.5mol%; 二、将称取的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 CuO和Iri203混合均匀后放入铂坩埚，然后置于650 750。C的 环境中烧结l 3h，再升温至1000 1050。C烧结l 3h，冷却至室温；三、采 用提拉法生长晶体经引晶、縮颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火程序， 得多畴晶体；四、将多畴晶体放入极化炉中，室温下以450 550°C/h的速度 升温至1150 1250°C，在极化电流密度为4 6mA/cm2的条件下极化l 3h， 然后以70 90°C/h的速度退火，降低温度至室温，得单畴晶体；五、对单畴 晶体进行氧化处理或还原处理，即得In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体。
5、 根据权利要求4所述的制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法， 其特征在于步骤三中弓(晶程序中籽晶在不熔不化温度下继续生长2mm。
6、 根据权利要求4所述的制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法， 其特征在于步骤三中引晶、放肩、收肩和等径生长程序中保持10 15r/min的 转速和2 2.5mm/h的晶体提拉生长速度；在退火程序中晶体保持15r/min的 旋转速度。
7、 根据权利要求4所述的制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法， 其特征在于步骤三中提拉轴向温度梯度液面上为40 50°C/Cm、液面下为 15 25°C/cm，提拉径向温度梯度为4 6。C/cm。
8、 根据权利要求4所述的制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法， 其特征在于步骤四中室温下以500°C/h的速度升温至1200°C，在极化电流为 5mA/cm2的条件下极化2h，然后以80°C/h的速度退火。
9、 根据权利要求4所述的制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法， 其特征在于步骤五中对单畴晶体进行氧化处理是在富氧气氛下，以500 600 "/h的速度升温950 1050。C，保温l 3h，然后以70 90。C/h的速度退火， 降低温度至室温。
10、 根据权利要求4所述的制备In、 Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体的方法， 其特征在于步骤五中对单畴晶体进行还原处理是以400 500°C/h的速度升温 500 550°C，保温18 20h，然后以50 55°C/h的速度退火，降低温度至室温。
全文摘要
In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体及其制备方法，它涉及一种铌酸锂晶体及其制备方法。它解决了现有技术制备掺杂的酸锂晶体存在响应时间慢和抗光损伤能力低的问题。本发明In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体由Li₂CO₃、Nb₂O₅、Fe₂O₃、CuO和In₂O₃制成。方法一、称取所需成分；二、烧结；三、采用提拉法生长晶体；四、极化处理；五、氧化处理或还原处理，即得In、Fe和Cu三掺杂铌酸锂晶体。本发明在铌酸锂晶体中掺杂元素铟(In)、铁(Fe)和铜(Cu)，在保留铌酸锂晶体原有优良性能的基础上，明显提高了铌酸锂晶体的抗光损伤能力和响应时间。
文档编号C30B15/04GK101328612SQ20081006477
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者刘维海, 徐衍岭, 佳 王, 锐 王 申请人:哈尔滨工业大学