专利名称：一种导模提拉法生长纯及掺杂钇铁石榴石晶体的方法
技术领域：
本发明涉及一种生长晶体的方法，特别是一种导模提拉法生长纯及掺杂钇铁石榴 石晶体的方法。
背景技术：
钇铁石榴石(Y3Fe5O12, YIG)晶体是一种透明的亚铁磁性磁光材料，具有磁光效应 大，饱和磁化场小，均勻性和稳定性好，材料物理化学性质优良，在1. 2 5. 0 μ m波段吸收 小等优点，广泛应用于磁光隔离器、环形器、光纤传感器等磁光器件中，是当前应用最广泛 最具有发展前景的磁光晶体材料。此外，YIG晶体还是一种优良的旋磁性铁氧体，在滤波器、 振荡器、倍频器等固体微波器件方面有着广泛应用。然而，钇铁石榴石晶体是非同成分熔融 化合物，难以采用提拉法(CzochrFeski)进行生长获得大尺寸体单晶。目前主要采用液相 外延法、高温溶液法和激光浮区法进行纯及掺杂YIG晶体的生长。高温溶液法理论上可以 获得体单晶，但存在晶体生长速率慢、周期长、成本高、均勻性差等缺点。日本的TDK公司采 用激光浮区(FZ)法生长出直径约IOmm钇铁石榴石单晶，在大多数情况下，这种尺寸能满 足一些小型磁光器件的要求，而一些大型器件就很难满足。液相外延法目前只有日本和美 国已经成熟地掌握了这种技术，采用昂贵的钆镓石榴石晶体(GGG)为基片，采用液相外延 法进行生长。无疑，采用这种方法生长晶体的成本比较昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导模提拉(edge-defined film-fed growth)法生长 纯及掺杂钇铁石榴石晶体的方法，解决制备钇铁石榴石大尺寸体单晶存在的晶体生长速率 慢、周期长、成本高的问题。本发明是这样实现的
一种导模提拉法生长纯及掺杂钇铁石榴石晶体的方法，将内部带有纵向缝隙的导模模 具放入坩埚中，再向坩埚中加入多晶原料，加热坩埚使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融 体没过导模模具下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具 内的纵向缝隙上升到导模模具的上表面，然后下籽晶并提拉生长获得单晶。与其它生长YIG晶体的方法相比，本发明的导模提拉法具有如下几种独特的优 点1)能够控制生长出各种方向和形状的晶体，简化晶体的后加工工序、降低晶体的成本； 2)晶体生长界面为平界面生长，在水平方向上可以获得成分分布均勻的体单晶；3)晶体生 长作用发生在温度恒定的导模模具顶端，温度梯度变化较小，所生长晶体的光学均勻性好。 4)晶体生长发生在极薄的界面内，可以获得大的轴向温度梯度，从而获得较快的晶体生长 速率。
图1导模提拉法生长钇铁石榴石晶体(导模模具上不设有带孔模片)示意图。
图2导模提拉法生长钇铁石榴石晶体(导模模具上设有带孔模片)示意图。图3导模模具上表面放置的圆形带孔模片示意图。附图标记说明
1籽晶；2单晶；3导模模具；4坩埚；5多晶原料的熔融体；6圆形带孔模片；7缝隙。
具体实施例方式本发明可以具体实施如下
将内部带有纵向缝隙7的导模模具3放入坩埚4中，再向坩埚4中加入多晶原料，加热 坩埚4使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融体5没过导模模具下部的缝隙7，以使多晶原 料的熔融体5在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙7上升到导模模具3的上 表面，然后在导模模具3的上表面下籽晶1并提拉生长获得单晶2。在生长纯钇铁石榴石单晶时，所述多晶原料由Y3Fe5012、Y2O3、YFeO3、YFe2O4中的 一种或几种化合物与Fe2O3组成，所述多晶原料中Y元素的物质的量与Fe元素和Y元素的 物质的量之和的比Y/(Y+Fe)为13. 0%-37· 5%。在生长掺杂钇铁石榴石单晶时，所述多晶原料除了含生长纯钇铁石榴石单晶 中的熔体组分外，可以掺入In、Sn、V、Ga、Al等元素部分替代钇铁石榴石晶体中的Fe 元素，掺入Gd、Ce、Pr等稀土元素以及Bi元素替代钇铁石榴石晶体中的Y元素，形成 如 Ga:YIG (Y3(FeGa)5O12) , Al:YIG (Y3(FeAl)5O12), Ce:YIG ((YCe)3Fe5O12), CeiYGaIG ((YCe)3(FeGa)5O12), Ce: YAlIG ((YCe) 3 (FeAl) 5012)，Bi GdIG ((GdBi)3Fe5O12)等系列掺杂钇 铁石榴石晶体。另外，本发明还可以具体实施如下
将内部带有纵向缝隙7的导模模具3放入坩埚4中，并在导模模具3上表面放置圆形 带孔模片6，再向坩埚4中加入多晶原料，加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体5，并使导模模 具3下部的缝隙7没入多晶原料的熔融体5中，以使多晶原料的熔融体5在毛细管效应的 作用下沿着导模模具3内的纵向缝隙7上升到圆形带孔模片6的上表面，然后在圆形带孔 模片6的上表面下籽晶1并提拉成与圆形带孔模片6形状一致的单晶2。在生长纯钇铁石榴石单晶时，所述多晶原料由由Y3Fe5012、Y2O3、YFeO3、YFe2O4中 的一种或几种化合物与Fe2O3组成，所述多晶原料中Y元素的物质的量与Fe元素和Y元素 的物质的量之和的比Y/(Y+Fe)为13. 0%-37· 5%。在生长掺杂钇铁石榴石单晶时，所述多晶原料除了含生长纯钇铁石榴石单晶 中的熔体组分外，可以掺入In、Sn、V、Ga、Al等元素部分替代钇铁石榴石晶体中的Fe 元素，掺入Gd、Ce、Pr等稀土元素以及Bi元素替代钇铁石榴石晶体中的Y元素，形成 如 Ga:YIG (Y3(FeGa)5O12) , Al:YIG (Y3(FeAl)5O12), Ce:YIG ((YCe)3Fe5O12), CeiYGaIG ((YCe)3(FeGa)5O12), Ce: YAlIG ((YCe) 3 (FeAl) 5012)，Bi GdIG ((GdBi)3Fe5O12)等系列掺杂钇 铁石榴石晶体。在以上本发明的具体实施中，所述导模模具上表面设置的带孔模片是带有直径小 于或等于2. Omm孔的模片，该模片和导模模具为钼、铱、铑、硼化铪、硼化锆等熔点在1450°C 以上的金属或合金材料制得。所述导模模具内部纵向缝隙横截面面积的总和小于等于导模模具上表面面积的80%，所述纵向缝隙通过线切割或激光打孔等加工方法制备；晶体的提 拉可以沿任意结晶学方向进行生长，晶体的提拉生长速度为0. 01-5. Omm/h。需要指出的是，带孔模片不仅可以是圆形的，还可以是其他形状，从而可以根据需 要制备所需形状的单晶。另外，在导模模具3上表面放置带孔模片6还可以改善晶体生长 时的晶体一熔体间的界面状况，从而提高晶体生长质量。因此，通过本发明方法不仅可以制备钇铁石榴石大尺寸的体单晶，还可以制备带 状、圆柱状、圆条状等其他特定形状的钇铁石榴石单晶。为了更好的说明本发明，下面列举以不同Y/(Fe+Y)摩尔百分数为原料制备纯钇 铁石榴石晶体的实施例和掺Ga、Al或Ce元素的钇铁石榴石晶体的实施例。实施例子1 (1)多晶原料的合成
按Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为17. 5%的比例准确称量纯度为99. 99%的Y203和Fe203 药品，将所称取的药品放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成片，接着进行高温 烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为10小时，制备成多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将导模模具装好 放入坩埚中心，在导模模具上表面放置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原 料，在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模 模具下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝 隙上升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0. 3mm/ h，通过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势 的升降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电 势。电势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0-200mV/h)，控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温，降温速率为8-120°C /h，退火时间 为20-30小时，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为560K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300-3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可进 一步提高至50%以上。实施例子2
(1)多晶原料的合成按Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为30%的比例准确称量纯度为99. 99% 的Y203和Fe203药品，将所称取的药品放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成 片，接着进行高温烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为10小时，制备成多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将缝模组装好放 入坩埚中心，在导模模具上表面设置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原料， 在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模模具 下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0. 5mm/h，通 过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势的升 降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电势。电 势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0_200mV/h)，以控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温，降温速率为8-120°C /h，退火时间 为20-30小时，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为560K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300 - 3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可 进一步提高至50%以上。
实施例子3
(1)多晶原料的合成按Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为37. 5%的比例准确称量纯度为 99. 99%的Y203和Fe203药品，将所称取的药品放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上 压制成片，接着进行高温烧结，烧结工艺如下80(TC下恒温烧结时间10小时，然后升温到 1200°C，恒温烧结15小时；再次放入刚玉研钵中研磨均勻、压片，接着进行二次烧结，烧结 温度1200°C，烧结时间15小时，制备成钇铁石榴石晶体多晶原料。另外，按实施例1中的多晶原料合成方法制备Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为17. 5%的 多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将缝模组装好 放入坩埚中心，在导模模具上表面放置带孔的圆形铱片，再将已经制备好的钇铁石榴石晶 体的多晶原料(Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为37. 5%)加入坩埚，而在圆形铱片上放置多晶原 料(Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为17.5%)，在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体， 并使钇铁石榴石晶体的多晶原料的熔融体没过导模模具下部的缝隙，并使多晶原料融熔 体(Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为17. 5%)覆盖圆形铱片的表面，以使多晶原料的熔融体(Y/ (Fe+Y)的摩尔百分数为37. 5%)在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上升到 铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为5. Omm/h，通过观 察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势的升降及 其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电势。电势的 升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0_200mV/h)，控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1. 5mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温(退火时间为25小时)，降温速率 为8-120°C /h，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果如下
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为560K。用Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300 - 3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可 进一步提高至50%以上。实施例子4
(1)多晶原料的合成按Y/(Fe+Y+Ga)的摩尔百分数为35. 7%、Ga/(Fe+Ga)的摩尔百分 数为14. 0%的比例准确称量纯度为99. 99%的Y203、Ga203和Fe203药品，将所称取的药品 放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成片，接着进行高温烧结，烧结工艺如下 800°C下恒温烧结时间10小时，然后升温到1200°C，恒温烧结15小时；再次放入刚玉研钵 中研磨均勻、压片，接着进行二次烧结，烧结温度1200°C，烧结时间15小时，制备成钇铁石 榴石晶体多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将缝模组装好放 入坩埚中心，在导模模具上表面设置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原料， 在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模模具 下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上 升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0.5mm/h，通 过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势的升 降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电势。电 势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0_200mV/h)，以控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1. 5mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温(退火时间为25小时)，降温速率 为8-120°C /h，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果如下
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为340K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300 - 3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可 进一步提高至50%以上。实施例子5
(1)多晶原料的合成按(Y+Ce)/(Fe+Y+Ga)的摩尔百分数为30. 0%、Ga/(Fe+Ga)的摩 尔百分数为10. 0%的比例准确称量纯度为99. 99%的Y203、Ga203和Fe203药品，将所称取 的药品放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成片，接着进行高温烧结，烧结工艺 如下800°C下恒温烧结时间10小时，然后升温到1200°C，恒温烧结15小时；再次放入刚玉 研钵中研磨均勻、压片，接着进行二次烧结，烧结温度1200°C，烧结时间15小时，制备成钇 铁石榴石晶体多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将缝模组装好放 入坩埚中心，在导模模具上表面设置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原料， 在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模模具 下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上 升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0. 5mm/h，通过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势的升 降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电势。电 势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0_200mV/h)，以控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1. 5mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温(退火时间为25小时)，降温速率 为8-120°C /h，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果如下
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为440K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1200 - 3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可 进一步提高至60%以上。实施例子6
(1)多晶原料的合成按Y/(Fe+Y+Al)的摩尔百分数为20.3%、Al/(Fe+Al)的摩尔百分 数为10. 0%的比例准确称量纯度为99. 99%的Y203、A1203和Fe203药品，将所称取的药品 放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成片，接着进行高温烧结，烧结工艺如下 800°C下恒温烧结时间10小时，然后升温到1200°C，恒温烧结15小时；再次放入刚玉研钵 中研磨均勻、压片，接着进行二次烧结，烧结温度1200°C，烧结时间15小时，制备成钇铁石 榴石晶体多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将缝模组装好放 入坩埚中心，在导模模具上表面设置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原料， 在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模模具 下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上 升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0. 5mm/h，通 过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势的升 降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电势。电 势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0_200mV/h)，以控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1. 5mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温(退火时间为25小时)，降温速率 为8-120°C /h，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果如下
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为380K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300 - 3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可 进一步提高至50%以上。实施例子7
(1)多晶原料的合成按(Y+Ce)/(Fe+Y+Al)的摩尔百分数为19. 5%、Al/(Fe+Al)的摩 尔百分数为10. 0%的比例准确称量纯度为99. 99%的Y203、A1203和Fe203药品，将所称取的药品放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成片，接着进行高温烧结，烧结工艺 如下800°C下恒温烧结时间10小时，然后升温到1200°C，恒温烧结15小时；再次放入刚玉 研钵中研磨均勻、压片，接着进行二次烧结，烧结温度1200°C，烧结时间15小时，制备成钇 铁石榴石晶体多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将缝模组装好放 入坩埚中心，在导模模具上表面设置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原料， 在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模模具 下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上 升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0. 5mm/h，通 过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势的升 降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电势。电 势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0_200mV/h)，以控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1. 5mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温(退火时间为25小时)，降温速率 为8-120°C /h，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果如下
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCH STA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为380K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300 - 3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可 进一步提高至50%以上。实施例8
(1)多晶原料的合成
按Y/(Fe+Y)的摩尔百分数为13. 0%的比例准确称量纯度为99. 99%的Y203和Fe203 药品，将所称取的药品放入刚玉研钵中研磨均勻，然后在压片机上压制成片，接着进行高温 烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为10小时，制备成多晶原料。(2)单晶生长采用导模提拉法，以铱金坩埚为晶体的生长容器，将导模模具装好 放入坩埚中心，在导模模具上表面放置带孔的圆型铱片，再向坩埚中加入制备好的多晶原 料，在氮气气氛下加热坩埚使多晶原料熔化成熔融体，并使多晶原料的熔融体5没过导模 模具下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝 隙上升到铱片的上表面，然后在圆型铱片上下籽晶进行单晶提拉生长，生长速率为0. Olmm/ h，通过观察晶体生长时晶体与铱片间薄液层及生长趋势的变化情况，实时调节欧陆表电势 的升降及其变化速率(当薄液层变薄或晶体有放大趋势时，需升高电势；反之，则需降低电 势。电势的升降范围为100-1500mV，变化速率范围为0-200mV/h)，控制晶体生长形态。(3)晶体退火当晶体生长结束后，将晶体提升并脱离熔融体，调整晶体高度，使其 高出导模模具1mm，然后设定降温程序，缓慢退火至室温，降温速率为8-120°C /h，退火时间 为20-30小时，得到钇铁石榴石晶体。本实施例制备的钇铁石榴石晶体的测试结果
采用XRD粉末衍射仪表征表明，所生长晶体为YIG相，无其他杂相存在。采用NETZSCHSTA449C差热分析仪测试晶体的居里点温度，热磁分析法分析晶体的居里温度为560K。用 Lambda 900 UV/VIS/IR光谱仪测定晶体的透过光谱，结果表明晶体在无镀膜的情况下，在 1300-3000nm的范围内的透过率大于40%。晶体经800°C氧气氛中二次退火后其透过率可进 一步提高至50%以上。采用本发明制备的纯及掺杂钇铁石榴石晶体可以用来制备1340nm、1550nm等波 长的光隔离器件或者磁光传感器等。同时，所制备晶体还是一种优良的旋磁性铁氧体，也可 以用于制作在滤波器、振荡器、倍频器等固体微波器件。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种导模提拉法生长纯及掺杂钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于将内部带有纵向缝隙的导模模具放入坩埚中，再向坩埚中加入多晶原料，加热坩埚使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融体没过导模模具下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上升到导模模具的上表面，然后下籽晶并提拉获得纯或掺杂钇铁石榴石单晶；所述多晶原料由Y3Fe5O12、Y2O3 、YFeO3和YFe2O4中的一种或几种化合物与Fe2O3组成，所述多晶原料中Y元素的物质的量与Fe元素和Y元素的物质的量之和的比Y/(Y+Fe)为13.0% 37.5%。
2.根据权利要求1所述的一种导模提拉法生长掺杂钇铁石榴石晶体的方法，其特 征在于所述多晶原料除了含权利要求1中的熔体组分外，可以掺入In、Sn、V、Ga、Al元 素部分替代钇铁石榴石晶体中的Fe元素，可替代的量占Fe元素量的40%及其以下；掺 入Gd、Ce、Pr稀土元素以及Bi元素部分或全部替代钇铁石榴石晶体中的Y元素，形成 如 Ga:YIG (Y3(FeGa)5O12) , Al:YIG (Y3(FeAl)5O12), Ce:YIG ((YCe)3Fe5O12), CeiYGaIG ((YCe)3(FeGa)5O12), Ce: YAlIG ((YCe) 3 (FeAl) 5012)，Bi GdIG ((GdBi)3Fe5O12)系列掺杂钇铁 石榴石晶体。
3.根据权利要求1所述的一种导模提拉法生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于 所述导模模具的上表面设有带孔模片。
4.根据权利要求3所述的一种导模提拉法生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于 所述带孔模片是带有直径小于或等于2. Omm孔的模片。
5.根据权利要求1所述的一种导模提拉法生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于 所述导模模具内部纵向缝隙横截面面积的总和小等于导模模具上表面面积的80%。
6.根据权利要求1所述的一种导模提拉法生长钇铁石榴石晶体的方法，其特征在于 晶体的提拉可以沿任意结晶学方向进行生长，晶体的提拉生长速度为0. 01-5. Omm/h ；所述 的模具内带有纵向缝隙的导模模具和带孔的模片是由高熔点材料制成，高熔点材料是指 钼、铱、铑、硼化铪和硼化锆熔点在1450°C以上的金属或合金材料。
全文摘要
一种导模提拉法生长纯及掺杂钇铁石榴石晶体的方法，是将内部带有纵向缝隙的导模模具放入坩埚中，再向坩埚中加入多晶原料，加热坩埚使多晶原料熔化，并使多晶原料的熔融体没过导模模具下部的缝隙，以使多晶原料的熔融体在毛细管效应的作用下沿着导模模具内的纵向缝隙上升到导模模具的上表面，然后下籽晶并提拉成与导模模具形状一致的单晶。本发明能够制备大尺寸纯及掺杂钇铁石榴石单晶晶体，同时能够简化晶体的后加工工序，降低制备晶体的成本，且晶体生长速率快，制备的晶体光学均匀性好，解决了提拉法难以制备大尺寸体单晶的问题。
文档编号C30B15/24GK101942695SQ20101051272
公开日2011年1月12日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者庄乃锋, 汪荣峰, 聂建彪, 胡晓琳, 赵斌, 陈建中, 陈文斌 申请人:福州大学