单晶立方倍半氧化物的制备方法及其用途技术

本发明专利技术涉及采用高温助熔剂生长技术制备块状或薄膜的掺杂有正三价镧系元素离子的钪、钇或者稀土金属的立方倍半氧化物单晶（空间群No.206,Ia-3）的方法，以及根据该方法获得的所述单晶的各种应用，特别是在光学领域中的应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单晶立方倍半氧化物的制备方法及其用途本专利技术涉及采用高温助熔剂生长技术制备块状或薄膜的掺杂有正三价镧系元素离子的钪、钇或者稀土金属的立方倍半氧化物单晶(空间群No. 206，la-3)的方法，以及根据该方法获得的所述单晶的各种应用，特别是在光学领域的应用。激光器是ー种发光(电磁辐射)的装置，发出的光通过受激发射放大。术语激光器(laser)是源自“light amplification by stimulated emission of radiation (通过福射的受激发射的光放大)”的首字母缩略词。激光器产生基于激光效应的空间和时间相干光。通过受激发射方法，发射的光子与从光共振腔穿过的光子具有相同的波矢、相同的偏振和相同的相位。由此产生相干辐射源。存在不同类型的激光器，其中可特别提及的是气体激光器、化学激光器、有机染料激光器、金属蒸汽激光器、固态激光器和半导体激光器。固态激光器使用诸如晶体或玻璃的固体介质作为光子(自发的和激发的)发射的 介质和放大器介质。放大器介质，或也称増益介质，是由光学活性材料组成的，这种光学活性材料包括通过掺杂吸收来自光泵浦源的辐射并通过发射光子去激的离子而赋予光学活性的基体(玻璃或晶体)。第一台激光器是红宝石激光器，该激光器的发射源于Cr3+离子。大量使用其它离子主要是稀土金属离子Nd3+、Yb3+、Pr3+、Er3+、Tm3+等等，或者是过渡金属离子，比如尤其是Ti3+或者Cr3+。对稀土金属离子来讲，激光器的发射波长主要取决于掺杂离子，而对所有情况来说，取决于基体的性质，在过渡金属离子的情况下，后者的影响大得多。因此，掺杂有钕的玻璃在与被称为钇-铝-石榴石(YAG)并由掺杂有钕(1064nm)的Y3Al5O12组成的晶态固体相同的波长(1053nm)下不发射。固态激光器在连续模式下或者在脉冲模式(从几微秒到几飞秒的脉冲)下运行。它们在可见光区、近红外区、中红外区和紫外光区内均能同样好地发射。在可接受的光学性能的晶体尺寸情况下，这些激光器使得可能连续地获得大约10瓦级的功率以及在脉冲模式下获得更高的功率。它们用于科学和エ业应用上，诸如材料的焊接、标记和切割。除了在大功率激光器和/或短脉冲激光器的制造中使用外，这些由基体和掺杂离子组成的固体材料也可以用于制造对眼睛安全的激光器，或用于外科手术和/或眼科的激光器(脉冲或连续的ニ极管泵浦激光器，在红光区、绿光区以及直到中红外区)、闪烁器、导波器和辐射热測定器(具有热/光识别能力的探測器)，用于光学冷却，作为发光材料或作为用于存储和处理量子信息的材料。现今，用于所有应用、特别是用于激光器制造的最有前景的晶状固体是掺杂有稀土金属离子的式R2O3的立方(因此为各向同性的)倍半氧化物，其中R表示一种或者多种选自三价金属的元素，例如钪、乾和稀土金属(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)。与掺杂有稀土金属离子的YAG相比，它们中的一些尤其表现出更高的热传导性，然而，现今使用最广泛的激光器材料却是掺杂有稀土金属离子的YAG。只要这些立方倍半氧化物能够容易地掺杂稀土金属离子并且具有高密度(大约4-9. 5g. cm_3)，它们也是有利的。此夕卜，与大多数氧化物、特别是YAG相比，钇、钪、钆和镥的倍半氧化物表现出低的声子能量。现今，这些材料主要以通过高压高温烧结(优选在真空下)制备的透明陶瓷的形式获得。然而，这些陶瓷表现出具有若干晶界的多晶微观结构，导致作为其应用基础的物理性质的降低(光子扩散、存在杂质、热传导性低等)。事实上，为了能够在这些不同的应用(激光器、闪烁器等)中以最佳方式使用，这些立方倍半氧化物必须以具有毫米到厘米范围的尺寸且具有符合要求的光学性能的单晶的形式提供。由于立方倍半氧化物具有很高的熔点(T>2400°C )和在熔化状态时高的化学反应性，生产单晶形式的且具有符合要求的光学性能的立方倍半氧化物所需要的条件证实是难于实现的、昂贵的并且有时候是危险的，并且经常需要在高温下进行数小时的后生长处理(退火处理)。Akira Yoshikawa和Andrey Novoselov综述了单晶稀土金属倍半氧化物的各种合成技木(book:Shaped Crystals;publisner:Springer Berlin Heidelberg;PartIII, pages 187-202; Copyright 2007)。这些作者提醒读者，由于在熔化状态时它们具有很 高的化学反应性，这些材料原则上必须根据“无坩埚”技术来合成，例如韦纳伊法(Verneuilmethod) (R. A. Lefever et al. , Rev. Sci. Instrum. , 1963, 33, 769)，以术语“激光加热基座法生长”(LHPG)已知的区域熔化技术(如D. B. Gasson等人在J. Mater. Sci.，1970，5，100中所描述)，或根据“冷坩埚”或“自坩埚”技术，也以术语“凝壳熔炼”已知并特别由V. V. Osiko在J. Cryst. Growth, 1983, 65, 235中进行了描述。其它晶体生长技术，比如J. Czochralski(Z. Phys. Chem. , 1918,92,219)描述的，在坩埚中进行晶体发生。那么，有必要在由具有比待生长材料的熔点更高的熔点的材料制成的特殊坩埚中进行晶体生长，在现在的情况下，也就是要高于2400°C，例如由铼制成的坩埚，铼的熔点超过3100°C (L. Fornasiero etal.，Cryst. Res. Technol.，1999，34，255)。然而，这些技术表现出的缺点是产生的单晶太小(至多只有大约几毫米)和/或表现出的光学性能不满足设想应用的要求。Akira Yoshikawa和Andrey Novoselov则提供了使用微下拉(V- -PD)技术用于进行稀土金属倍半氧化物单晶的合成，这个技术的原理和使用使得合成单晶纤维成为可能。该技术涉及将纤维从置于坩埚下方的微米级喷嘴向下拉伸，其中使坩埚中的粉末混合物达到其熔点。然而，在上述R2O3型的材料生长的情况中，这种技术需要特殊且昂贵的装置(有时不能エ业化操作)并使其可能获得仅仅是纤维形式的晶体。因此，采用这种技术不可能得到大尺寸的块状单晶。相比之下，以由 V. Peters 等人(J. Cryst. Growth, 2002，237-239，879-883)提供的首字母缩略词为HEM的热交换器法(Heat Exchanger Method)已知的技术使得通过缓慢冷却由铼制成的坩埚的底部获得具有几厘米尺寸的R2O3型单晶成为可能，坩埚中包括达到熔点(T>2400°C)的R2O3的熔池。然而，由于非常高的成本(例如铼的价格)、危险性以及熔炉中存在的各元素互相的高化学反应性，这种技术不可能转变成エ业規模。这是因为耐火陶瓷和铼坩埚，在氢气(H2)(生长气氛的爆炸性气体，因而高温下高度危险)存在时，生长之后表现出严重的强化学侵蚀的迹象(耐火陶瓷变黑、坩埚溶解导致晶体被污染)，于是仅仅在几次生长之后需要几乎系统地将其更换。特别是在专利申请US 2009/0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·韦贝尔，V·贝拉斯克斯，JP·沙米纳德，O·维拉潘蓬，
申请(专利权)人：国立科学研究中心，
类型：发明
国别省市：