專利名稱：Mg、Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈮酸鋰晶體及其制備方法。
技術(shù)背景鈮酸鋰(LiNb03)晶體是一種用途廣泛的人工晶體，具有良好的壓電、電光、 聲光和非線性光學(xué)性能，在全息存儲、位相共軛、光波導(dǎo)等領(lǐng)域都有著極其重 要的地位。鈮酸鋰晶體材料大多是相同成分組成，其總表現(xiàn)為鋰缺少，由于晶體中嚴(yán) 重缺鋰，從而形成大量的本征結(jié)構(gòu)缺陷，使鈮酸鋰晶體作為光折變晶體在全息 存儲的應(yīng)用受到很大限制，主要體現(xiàn)在衍射率低，響應(yīng)時間長，而且抗光損傷 能力不高。目前，有采用慘雜Fe來提高鈮酸鋰晶體的衍射效率，但響應(yīng)時間 長達(dá)89min，抗光損傷能力低，僅為3.2x102 mW/cm2。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)制備的摻雜Fe的酸鋰晶體存在響應(yīng)時間 慢和抗光損傷能力低的問題，而提供一種Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體及 其制備方法。本發(fā)明Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO 和Hf02制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為0.85 1.38 : 1， Fe203的摻雜 濃度為0.01 0.05%(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度為l 6mol°/。， Hf02的摻雜濃度 為l 5mol%。制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法按以下步驟實現(xiàn) 一、稱取 Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02，其中Li2C03和Nb205的摩爾比為0.85 1.38 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.01 0.05%(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度為1 6mol%， Hf02的摻雜濃度為l 5mol%; 二、將稱取的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02混合均勻后放入鉑坩堝，然后置于650 750。C的環(huán)境中燒結(jié)l 3h，再升溫至1100 120(TC燒結(jié)l 3h，冷卻至室溫；三、采用提拉法生長晶 體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長、拉脫和退火程序，得多疇晶體；極化爐中，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，降低溫度至室溫，即得Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體； 其中步驟三中引晶程序?qū)⒔?jīng)過燒結(jié)的多晶料升溫至熔化，并保持熔化溫度 30min，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。本發(fā)明在鈮酸鋰晶體中摻雜元素鎂(Mg)、鉿(Hf)和鐵(Fe)，在保留鈮酸鋰 晶體原有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，明顯提高了鈮酸鋰晶體的抗光損傷能力，其抗光 損傷能力高達(dá)5.0xl()3 5.3xl03mW/cm2，縮短了響應(yīng)時間，僅為20 30min。


圖1為具體實施方式
十六中所得Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的光損 傷前的光斑圖，圖2為具體實施方式
十六中所得Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰 晶體的光損傷后的光斑圖，圖3為Fe單摻雜鈮酸鋰晶體的光損傷前的光斑圖， 圖4為Fe單摻雜鈮酸鋰晶體的光損傷后的光斑圖。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02制成;其中Li2C03和Nb2Os的摩爾比為0.85 1.38 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.01 0.05%(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度為l 6mol%， Hf02的摻雜濃度為l 5mol%。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是Mg、 Hf和Fe 三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、 Nb2Os、 Fe203、 MgO和Hf02制成；其中Li2C03 和Nb20s的摩爾比為0.946 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.03%(質(zhì)量)，MgO的摻 雜濃度為4mo1。/。， Hf02的摻雜濃度為3mo1。/。。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是Li2C03、 NbzO" Fe203、 MgO和Hf02的質(zhì)量純度均高于99.99%。其它與具體實施方 式一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方 法按以下步驟實現(xiàn) 一、稱取Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02，其中 Li2C03和Nb205的摩爾比為0.85 1.38 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.01 0.05%(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度為l 6mol%， Hf02的摻雜濃度為l 5mol%; 二、將稱取的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02混合均勻后放入鉑坩堝， 然后置于650 750。C的環(huán)境中燒結(jié)l 3h，再升溫至1100 120(TC燒結(jié)l 3h，冷卻至室溫；三、采用提拉法生長晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生 長、拉脫和退火程序，得多疇晶體；四、將多疇晶體放入極化爐中，室溫下以 580 60(TC/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 ％°C/h的速度退火，降低溫度至室溫， 即得Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體；其中步驟三中引晶程序?qū)⒔?jīng)過燒結(jié) 的多晶料升溫至熔化，并保持熔化溫度30min，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。本實施方式晶體拉脫后退火可消除或減小晶體的熱應(yīng)力以及摻雜帶來的 結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中稱取 Li2C03、Nb205、Fe203、MgO和Hf02;其中Li2C03和Nb205的摩爾比為0.946 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.03%(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度為4mol%， Hf02的摻 雜濃度為3moP/。。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟二中置于 700。C的環(huán)境中燒結(jié)2h，再升溫至115(TC燒結(jié)2h。其它步驟及參數(shù)與具體實 施方式四相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中多晶料 熔化溫度為124(TC。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
四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2mm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中引晶、 放肩、收肩和等徑生長程序中保持10 15r/min的轉(zhuǎn)速和2 2.5mm/h的晶體 提拉生長速度；在退火程序中晶體保持10 15r/min的旋轉(zhuǎn)速度。其它步驟及 參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中縮頸程序中將籽晶的直徑縮細(xì)為2 3mm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中等徑生長程序中溫度以rc/h的速度下降。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中提拉 生長速度為3mm/h，提拉軸向溫度梯度液面上為40 5(TC/cm、液面下為15 25°C/cm，提拉徑向溫度梯度為4 6°C/Cm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中拉脫 程序中停止提拉后立即將晶體提升出液面。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四 相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟三中以70 90°C/h的速度退火，降低溫度至室溫。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四 相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟四中室溫下以.50(TC/h的速度升溫至1180°C，在極化電流為5mA/cm2的條件下極化2h， 然后以8(TC/h的速度退火。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十六本實施方式制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的 方法按以下步驟實現(xiàn) 一、稱??！4<:03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02，其中 Li2C03|n Nb205的摩爾比為0.946 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.03%(質(zhì)量)，MgO 的摻雜濃度為3mol。/。，Hf02的摻雜濃度為3mol。/。；二、將稱取的Li2C03、Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02混合均勻后放入鉑坩堝，然后置于700。C的環(huán)境中燒結(jié) 2h，再升溫至1150。C燒結(jié)2h，冷卻至室溫；三、采用提拉法生長晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長、拉脫和退火程序，得多疇晶體；四、將多疇晶體放入極化爐中，室溫下以600°C/h的速度升溫至1200°C，在極化電流密 度為5mA/cn^的條件下極化30mhi，然后以80°C/h的速度退火，降低溫度至 室溫，即得Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體；其中步驟三中引晶程序?qū)⒔?jīng) 過燒結(jié)的多晶料升溫至熔化，并保持熔化溫度30min，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。本實施方式中所得Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體經(jīng)Y面定向切割和打磨拋光后進(jìn)行測試，抗光損傷能力高達(dá)5.3xl03mW/cm2，響應(yīng)時間短，僅為 20min; Fe的摻雜濃度為0.03%(質(zhì)量)的Fe單摻雜鈮酸鋰晶體與Mg、 Hf和Fe 三摻雜鈮酸鋰晶體在相同功率、相同時間照射下的進(jìn)行光損傷實驗，從圖l、 2與圖3、 4的對比中可以看出，Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體光損傷后的 光斑變形強度遠(yuǎn)小于Fe單摻雜鈮酸鋰晶體，Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體 的抗光損傷能力高。
權(quán)利要求
1、Mg、Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于Mg、Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2CO3、Nb2O5、Fe2O3、MgO和HfO2制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為0.85～1.38∶1，F(xiàn)e2O3的摻雜濃度為0.01～0.05％(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度為1～6mol％，HfO2的摻雜濃度為1～5mol％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于 Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、 Nb2Os、 Fe203、 MgO和Hf02制 成；其中Li2C03和Nb20s的摩爾比為0.946 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.03%(質(zhì) 量)，MgO的摻雜濃度為4mol%, Hf02的摻雜濃度為3mo10/0。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征 在于Li2C03、 Nb2Os、 Fe203、 MgO和Hf02的質(zhì)量純度均高于99.99%。
4、 制備如權(quán)利要求1所述的Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法，其 特征在于制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法按以下步驟實現(xiàn)一、 稱取Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02，其中Li2CO^n 1^205的摩爾比 為0.85 1.38 : 1， Fe203的摻雜濃度為0.01 0.05%(質(zhì)量)，MgO的摻雜濃度 為l 6mol%， Hf02的摻雜濃度為l 5mol°/。； 二、將稱取的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 MgO和Hf02混合均勻后放入鉑坩堝，然后置于650 750。C的環(huán)境中 燒結(jié)l 3h，再升溫至1100 120(TC燒結(jié)l 3h，冷卻至室溫；三、采用提拉 法生長晶體經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長、拉脫和退火程序，得多 疇晶體；四、將多疇晶體放入極化爐中，室溫下以580 600°C/h的速度升溫 至1160 U00。C ，在極化電流密度為4 6mA/cm2的條件下極化20 40min， 然后以70 9(TC/h的速度退火，降低溫度至室溫，即得Mg、 Hf和Fe三摻雜 鈮酸鋰晶體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法，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2mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法， 其特征在于步驟三中引晶、放肩、收肩和等徑生長程序中保持10 15r/min的 轉(zhuǎn)速和2 2.5mm/h的晶體提拉生長速度；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4所述的制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法， 其特征在于步驟三中縮頸程序中將籽晶的直徑縮細(xì)為2 3mm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法， 其特征在于步驟三中等徑生長程序中溫度以rc/h的速度下降。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法， 其特征在于步驟三中提拉生長速度為3mm/h，提拉軸向溫度梯度液面上為 40 50°C/cm、液面下為15 25°C/cm，提拉徑向溫度梯度為4 6°C/cm。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Mg、 Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體的方法, 其特征在于步驟四中室溫下以500°C/h的速度升溫至1180°C，在極化電流為 5mA/cm2的條件下極化2h，然后以80°C/h的速度退火。
全文摘要
Mg、Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法，它涉及一種鈮酸鋰晶體及其制備方法。它解決了現(xiàn)有技術(shù)制備的摻雜Fe的酸鋰晶體存在響應(yīng)時間慢和抗光損傷能力低的問題。本發(fā)明Mg、Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體由Li₂CO₃、Nb₂O₅、Fe₂O₃、MgO和HfO₂制成。方法一、稱取所需成分；二、燒結(jié)；三、采用提拉法生長晶體；四、極化處理，即得Mg、Hf和Fe三摻雜鈮酸鋰晶體。本發(fā)明在鈮酸鋰晶體中摻雜元素Mg、Hf和Fe，在保留鈮酸鋰晶體原有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，明顯提高了鈮酸鋰晶體的抗光損傷能力，縮短了響應(yīng)時間。
文檔編號C01G33/00GK101327955SQ20081006478
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者劉維海, 徐玉恒, 佳 王, 銳 王, 趙培白 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)