本發(fā)明涉及人工晶體領(lǐng)域，尤其涉及一種異質(zhì)摻雜鈦酸鍶單晶焰熔法生長方法。

背景技術(shù)：

1、自然界中不存在天然的srtio3單晶體，srtio3單晶只能通過人工合成的方式來制備。近幾十年來，研究者們也嘗試了許多制備技術(shù)，主要有焰熔法、提拉法、冷坩堝法、浮區(qū)法和水熱法等。由于不需要盛裝氧化物熔體的坩堝，焰熔法制備單晶的過程避免了高溫熔體和坩堝之間的相互反應(yīng)，消除了坩堝對熔體造成的污染，擺脫了坩堝材料對制備高熔點氧化物晶體的限制，所以焰熔法特別適合于制備各種高溫氧化物晶體，如srtio3單晶體。

2、srtio3單晶因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、電致變色和光致變色性能，其點陣常數(shù)與已發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料極為匹配，在光學(xué)鏡頭、裝飾寶石、半導(dǎo)體和超導(dǎo)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。研究者們也嘗試al2o3和mgo取代srtio3成為超導(dǎo)薄膜，但只有srtio3的點陣常數(shù)與123型超導(dǎo)體(化學(xué)式為yba2cu3o7-δ，其中y代表稀土元素釔，ba代表鋇，cu代表銅，o代表氧，而δ表示氧的非整數(shù)比率)的匹配最好，[100]晶向的錯配率只有0.2％。

3、在熱電領(lǐng)域，srtio3單晶具備良好的熱電性能，因其具有低毒性、低成本、良好的高溫穩(wěn)定性、高塞貝克系數(shù)，但srtio3單晶為絕緣體，需要對其進行摻雜才能形成性能良好的熱電半導(dǎo)體單晶材料。雖然srtio3單晶的制備工藝相對成熟，但異質(zhì)摻雜srtio3單晶的制備工藝卻鮮有研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種異質(zhì)摻雜鈦酸鍶單晶焰熔法生長方法，解決了異質(zhì)摻雜srtio3單晶生長過程的熔帽溢流問題。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種異質(zhì)摻雜鈦酸鍶單晶焰熔法生長方法，包括如下步驟：取帶有摻雜元素的鈦酸鍶粉體為生產(chǎn)異質(zhì)摻雜鈦酸鍶單晶的原料，依次進行形成單晶核、擴肩生長和等徑生長，得到異質(zhì)摻雜鈦酸鍶晶體；所述擴肩生長過程中，按照氫氣和氧氣的增量比向爐膛內(nèi)通入氫氣和氧氣，2.5:1＜所述氫氣和所述氧氣的增量比≤3.5:1；

3、所述帶有摻雜元素的鈦酸鍶粉體的摻雜元素為la、nd、sm、gd、dy、er和y中的任一種。

4、本發(fā)明的有益效果是：在異質(zhì)摻雜鈦酸鍶單晶生長過程中，將氫氣、氧氣的增量比控制在2.5:1＜氫氣和氧氣的增量比≤3.5:1，通過過量通入氫氣達到降低熔帽邊緣溫度的作用，進而防止溢流。

5、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。

6、進一步，所述形成單晶核的具體步驟包括：

7、向爐膛內(nèi)通入氧氣和氫氣，點燃氧氣和氫氣的混合氣體加熱爐膛至設(shè)定溫度，并將燭臺上升至觀察窗位置處；

8、增加氧氣的通入量，將籽晶放入所述燭臺上烘烤，加熱融化所述籽晶，待所述籽晶熔化后，在所述籽晶與液態(tài)熔化籽晶之間形成固液界面，之后持續(xù)向爐膛內(nèi)加入所述帶有摻雜元素的鈦酸鍶粉體；

9、下降所述籽晶，在保持所述固液界面的基礎(chǔ)上，逐步形成縮頸，直至出現(xiàn)清晰的所述固液界面，代表單晶核形成。

10、采用上述進一步方案的有益效果是：通過向爐膛內(nèi)通入氧氣和氫氣來加熱爐膛，為單晶生長提供生長環(huán)境，增加氧氣的通入量可以進一步加強加熱效果，確保籽晶能夠熔化。同時在保證籽晶下降速率以及加入粉體的量基礎(chǔ)上保持固液界面，清晰的固液界面有助于確保晶體生長的有序性和穩(wěn)定性，減少晶體缺陷，提高晶體質(zhì)量。

11、進一步，所述帶有摻雜元素的鈦酸鍶粉體為nb摻雜鈦酸鍶粉體，所述nb摻雜鈦酸鍶粉體中nb的摻雜量的摩爾比為2-8％。

12、進一步，向所述爐膛內(nèi)通入所述氧氣和所述氫氣之前，設(shè)定所述氧氣和所述氫氣的起始通入量，所述氧氣的起始通入量為4-6l/min，所述氫氣的起始通入量為9-15l/min，所述爐膛的設(shè)定溫度為500-600℃。

13、采用上述進一步方案的有益效果是：保證起始狀態(tài)是富氫態(tài)，為異質(zhì)摻雜鈦酸鍶單晶生長提供了生長環(huán)境。

14、進一步，所述爐膛加熱至設(shè)定溫度后，所述氧氣每10-20分鐘增加0.1l/min；至所述爐膛溫度在1000-1200℃時，將所述籽晶放入所述燭臺上烘烤；烘烤過程中提高所述爐膛溫度至2050℃后，繼續(xù)烘烤10-20分鐘，待所述籽晶上表面熔化時，通過持續(xù)敲擊裝有所述nb摻雜鈦酸鍶粉體的料筒，所述nb摻雜鈦酸鍶粉體隨氫氧焰滴落在所述籽晶頂端的熔池中；敲擊裝有所述nb摻雜鈦酸鍶粉體的料筒的敲擊振幅為20-35mm。

15、采用上述進一步方案的有益效果是：逐步增加氧氣有助于提高爐膛溫度，維持穩(wěn)定的生長環(huán)境，通過在烘烤過程中提高爐膛溫度至2050℃，有助于籽晶的快速熔化。

16、進一步，所述下降所述籽晶，在保持所述固液界面的基礎(chǔ)上，逐步形成縮頸，直至出現(xiàn)清晰的所述固液界面，代表單晶核形成的步驟中，所述籽晶的下降速率為16-18mm/h。

17、采用上述進一步方案的有益效果是：籽晶的下降速率與送粉料筒的敲擊振幅相關(guān)聯(lián)，當(dāng)前籽晶下降速率以及送粉料筒的敲擊振幅，與氫氧焰燃燒產(chǎn)生的溫區(qū)相匹配，可確保固液界面位置保持不變；同時防止過快的籽晶下降速率導(dǎo)致籽晶頂端液態(tài)的籽晶凝固。

18、進一步，所述擴肩生長的步驟包括：

19、所述單晶核形成后，調(diào)節(jié)裝有所述nb摻雜鈦酸鍶粉體的料筒的敲擊振幅、所述籽晶的下降速率以及所述氫氣和所述氧氣的通入量，使nb摻雜鈦酸鍶晶體擴肩生長。

20、進一步，所述擴肩生長過程中，所述nb摻雜鈦酸鍶晶體頂部熔體體積逐漸變多并形成熔帽；

21、熔帽形成后，調(diào)節(jié)所述籽晶的下降速率為16-18mm/h，裝有所述nb摻雜鈦酸鍶粉體的所述料筒的敲擊振幅每30min增加10-15mm；

22、所述氧氣每5-10min增加0.1l/min-0.3l/min，所述氫氣每5-10min增加0.3l/min-0.9l/min。

23、采用上述進一步方案的有益效果是：將氫氣、氧氣的增量比控制在2.5:1＜氫氣和氧氣的增量比≤3.5:1，優(yōu)選的，將氫氣、氧氣的增量比的增量比控制在3:1左右，通過控制氫氣的通入量來降低爐膛溫度，防止溢流。

24、進一步，當(dāng)所述氧氣的通入量達到9-10l/min時，將所述燭臺的下降速率以0.2mm/hmin的降幅降至15-16mm/h，所述氫氣每20-30min增加0.2-0.5l/min。

25、采用上述進一步方案的有益效果是：通過控制氫氣的通入量來降低爐膛溫度，防止溢流。

26、進一步，當(dāng)所述nb摻雜鈦酸鍶晶體直徑達到10-15mm時進入等徑生長階段，保持裝有所述nb摻雜鈦酸鍶粉體的所述料筒的敲擊振幅、所述氫氣和所述氧氣的通入量和所述籽晶的下降速率直至生長結(jié)束；

27、當(dāng)所述nb摻雜鈦酸鍶晶體總體長度達到70-80mm時，停止所述nb摻雜鈦酸鍶晶體的生長，并用保溫棉包裹爐膛，使所述nb摻雜鈦酸鍶晶體冷卻至室溫。

28、采用上述進一步方案的有益效果是：在等徑生長階段，需要穩(wěn)定地控制送粉量、供氣量和籽晶的下降速率保持晶體等徑生長，這些參數(shù)的穩(wěn)定控制對于保證單晶生長的連續(xù)性和質(zhì)量至關(guān)重要。當(dāng)單晶生長已經(jīng)達到預(yù)設(shè)目標(biāo)，為了晶體能夠均勻冷卻并避免熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋或缺陷，通過保溫棉包裹爐膛，使晶體逐漸冷卻至室溫。