无机非金属Ti掺杂BSO晶体生长研究(2)
1.2 硅酸铋（BSO）晶体的生长方法
1.2.1 提拉法生长硅酸铋（BSO）晶体1971年，硅酸铋单晶首次根据提拉法生长而出。根据 Bi 2O3 -S i O2系统的相图。当 Bi2O3 和 S i O2分子比为 6：1 时，系统在 9 0 0℃左右同成分熔化。将按这个理想配比配制成的原料置于 P t 坩埚中， 通过射频感应加热或电阻加热使原料熔化， 经过下种 、 接种 、 “ 缩颈”、放肩、等径、迅速拉和冷却这一系列过程后，即完成一次单晶生长。生长过程中晶体直径可通过称重法或浮称法来实现自动控制，晶体的拉速一般为 1~3 mm／h ，转速约为 10~35rpm。为了确立用提拉法生长 BSO 晶体的最隹工艺条件，研究人员已就原料配比、拉速、转速、晶体冷却、晶体形态以及缺陷等方面开展实验和理论研究。研究表明，提拉反生长 BSO 还有很多不足。比如，提拉法生长的 BSO 晶体中主要存在生长条纹、深色核芯、应变感生双折射和空位或包裹体等缺陷。当温场不对称或温场对称轴与晶体旋转轴不一致时，晶体中就会出现旋转性生长条纹。此外，熔体中不稳定的热对流也是引起生长条纹的原因之一。由于小面生长区与非小面生长区的生长机制不同，固液界面上出现小面后，小面生长区会发生溶质分凝异常而破坏晶体的光学均匀性。并且与非核芯区相比，核芯区吸收系数大，相应的光电导电流小，点阵常数也略有增大。目前，这种芯的存在已阻碍了大尺寸优质 BSO 晶体的获得。
1.2.3 水热法生长硅酸铋（BSO）晶体由于含 Hi 化合物溶液的腐蚀特性(釜壁中的金属能将氧化铋还原成 Bi 金属)，整个生长实验必须与高压釜隔离开来，为此实验在一个密封的 Pt 衬管内进行。从提拉生长的 BSO 晶体中切取尺寸约为30*10*1.5 mm的籽晶， 以厘米量级的提拉生长的BSO晶体块作为培养体。将 4NaOH 溶液装入 Pt 衬管内作为溶剂 (矿化剂)，以 5~15g的高纯水晶 SiO2作为添加剂以增强可溶性和控制溶液的成分， 在衬管与高压釜的环形空隙内加入1.0NaOH或1.5M Na2SiO3的压力平衡溶液。高压釜的底部营养区保持在一恒定温度 390℃，而其顶部籽晶区保持在一个更低的恒定温度建立一个 5℃左右的温度梯度。实验过程中温度稳定性是+/-0.1℃，压力在 422~844kg／cm2范围内，生长速率为 0.1~0.3mm/天，生长周期一般为 30 ~40 天，生长完毕后，系统在 72 小时以上的时间内降至室温。水热生长技术具有生产大尺寸和相同性能的晶体的能力， 而一旦建立了内部生长条件， 只需要稳定的温度控制． 在理想的生长条件下，晶体的数量和尺寸受培养体的量、容器大小和籽晶数目的限制。该方法还可防止在高温熔体生长中经常遇到的一些结构缺陷如面纱、气泡、脱溶物及其它应变感生现象的形成。
1.2.3 坩埚下降法生长硅酸铋（BSO）晶体坩埚下降法的设备结构简单、操作稳定、价格便宜，因而易于实现工业化生产。上海硅酸盐研究所采用电阻加热法，首次将下降法应用于光折变晶体 BSO 的生长上，并取得了初步成功。BSO 晶体的生长有一些重要的结论（1）晶体的界面弯曲度会随 Pt 坩埚厚度的减小而减小，所以用 0.1mm 厚的 Pt 和 1.9mm 厚的氧化锆组成的复合坩埚有低的热导率，并且明显减少了界面的弯曲度；（2）梯度区长度对界面弯曲度无明显影响，当梯度区长度从 0.5cm 增加到 4cm时，界面弯曲度只减少 10％；（3）修正炉子结构以建立一特定的温度分布，使界面处熔体一侧的温梯大大地大于晶体一侧的温梯，这对于减少界面弯曲度是十分有效的。上述结果是通过理论计算得出的，但用下降法生长 BSO 晶体时，在寻求平界面生长工艺方面具有明显的指导意义。目前 BSO 晶体下降法生长技术中有待解决的遗留问题：高温下 BSO 熔体对 Pt 坩埚的腐蚀，这会导致熔体中 Pt 含量增加而在晶体中形成 Pt 包裹体或线状 P t 光散射缺陷。要消除这类缺陷，实现优质 BSO 单晶的重复稳定生长，需要对炉内温场分布、轴向温梯以及 Pt坩埚的加工处理对生长的影响作进一步的深入研究。
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