專利名稱：鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高能物理、核醫(yī)學(xué)和晶體生長領(lǐng)域，具體是一種鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代高能物理、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都需要高密度閃爍體，這是因為高密度閃爍體具有高的阻止本領(lǐng)，可在較短的距離內(nèi)有效地吸收高能粒子或射線，從而可減小由成千上萬乃至上百萬根閃爍晶體組成的探測陣列的體積，降低建設(shè)成本，提高閃爍體探測器的空間分辨率。
高密度鉭酸鹽LuTaO4、GdTaO4是優(yōu)良的閃爍體發(fā)光材料或發(fā)光基質(zhì)，它們的密度分別為9.8、8.8g/cm3，均超過了目前的重閃爍體PbWO4、LuSiO4和LuAlO3，YTaO4的密度達到了7.592g/cm3，超過了Bi4Ge3O12(BGO)的7.13g/cm3。不摻雜的RETaO4(RE＝Lu、Gd、Y，下同)是優(yōu)良的發(fā)光材料，在它們中摻入Bi3+、Nb5+、Tb3+或Eu3+可提高它們的發(fā)光效率及性能，它們是高效熒光增感屏材料，在真空紫外激發(fā)下它們的量子效率可達到50％以上。
由于RETaO4的熔點很高，在2000℃左右，迄今為止，僅有以LiCl、Li2SO4等為助熔劑來用助熔劑法生長RETaO4的小晶粒的生長報道，這種方法所生長出來的小晶粒尺寸僅在μm量級，無法作為閃爍單晶使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，本發(fā)明在大量的晶體生長實驗基礎(chǔ)上，獲得了Nb5+、Bi3+、Tb3+或Eu3+摻雜的稀土鉭酸鹽RETaO4及其純基質(zhì)單晶的提拉法生長方法，可獲得10mm以上的大尺寸單晶，可用于現(xiàn)代高能物理、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
本發(fā)明的技術(shù)方案是鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，其特征在于，所生長的鉭酸鹽的分子式表示為RE1-xDxTa1-yNbyO4，其中RE代表稀土離子Lu、Gd、Y；D代表摻雜離子，根據(jù)摻雜離子的不同，分別為Bi、Ce、Eu、Tb；下標(biāo)x、y表示摻雜替代的量，取值范圍為0～1；(1)、RE1-xDxTa1-yNbyO4的配料A、當(dāng)摻雜離子D為Bi、Eu時，采用D2O3(D＝Bi、Eu)、Ta2O5、RE2O3、Nb2O5為原料，RE＝Lu、Gd、Y，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+0.5xD2O3+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yNb2O5→RE1-xDxTa1-yNbyO4；B、當(dāng)摻雜離子D為Ce時，采用CeO2、Ta2O5、RE2O3、Nb2O5為原料，RE＝Lu、Gd、Y按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+xCeO2+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yTa2O5→RE1-xCexTa1-yNbyO4+0.25xO2↑C、當(dāng)摻雜離子D為Tb，采用Tb4O7、Ta2O5、RE2O3、Nb2O5為原料，RE＝Lu、Gd、Y，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+0.375xTb4O7+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yTa2O5→RE1-xCexTa1-yNbyO4+0.5625xO2↑(2)、RE1-xDxTa1-yNbyO4的壓制和燒結(jié)成型將配好的原料進行充分混合后，用模具壓制成形，在750～1300℃下燒結(jié)10～24小時，成為RE1-xDxTa1-yNbyO4晶體生長的初始原料，或者壓制成形的原料不經(jīng)燒結(jié)而直接成為晶體生長的初始原料；(3)、裝爐與晶體生長所述的晶體生長初始原料為制備的RE1-xDxTa1-yNbyO4原料；RE1-xDxTa1-yNbyO4原料加熱熔化后為熔體；所用籽晶為RE1-xDxTa1-yNbyO4單晶，籽晶方向為晶體對稱性最高的方向，或其他任意方向。
所述的第(3)步中晶體生長結(jié)束后，可使晶體保持在熔體中或者提拉出熔體，然后在10～96小時之內(nèi)降至室溫，即可取出生長的RE1-xDxTa1-yNbyO4單晶。
所述的原料Ta2O5、Nb2O5、Lu2O3、Gd2O3、Y2O3、Bi2O3、Eu2O3、Tb4O7、CeO2可用相應(yīng)的金屬元素的其他化合物來代替，但需滿足能通過化合反應(yīng)能最終形成RE1-xDxTa1-yNbyO4化合物這一條件。
考慮在晶體生長過程中的分凝效應(yīng)，設(shè)所述晶體中某種元素的分凝系數(shù)為k，k＝0.01～1，則當(dāng)所述的(1)步驟中A、B、C的化合式中該元素的化合物的質(zhì)量為W時，則在配料中應(yīng)調(diào)整為W/k。
本發(fā)明在大量的晶體生長實驗基礎(chǔ)上，獲得了Nb5+、Bi3+、Tb3+或Eu3+摻雜的稀土鉭酸鹽RETaO4及其純基質(zhì)單晶的提拉法生長方法，可獲得10mm以上的大尺寸單晶，可用于現(xiàn)代高能物理、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
具體實施例方式
1.本發(fā)明為數(shù)種稀土鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，所生長的化合物的分子式可表示為RE1-xDxTa1-yNbyO4，其中1.1RE代表稀土離子Lu、Gd、Y；1.2D代表摻雜離子，根據(jù)摻雜離子的不同，分別為Bi、Ce、Eu、Tb；1.3下標(biāo)x、y表示摻雜替代的量，取值范圍為0～1。
2、RE1-xDxTa1-yNbyO4的配料方法2.1當(dāng)摻雜離子D為Bi、Eu時，采用D2O3(D＝Bi、Eu)、Ta2O5、RE2O3(RE＝Lu、Gd、Y)、Nb2O5為原料，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+0.5xD2O3+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yNb2O5→RE1-xDxTa1-yNbyO42.2當(dāng)摻雜離子D為Ce時，采用CeO2、Ta2O5、RE2O3(RE＝Lu、Gd、Y)、Nb2O5為原料，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+xCeO2+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yTa2O5→RE1-xCexTa1-yNbyO4+0.25xO2↑2.3當(dāng)摻雜離子D為Tb，采用Tb4O7、Ta2O5、RE2O3(RE＝Lu、Gd、Y)、Nb2O5為原料，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+0.375xTb4O7+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yTa2O5→RE1-xCexTa1-yNbyO4+0.5625xO2↑2.4所用原料Ta2O5、Nb2O5、Lu2O3、Gd2O3、Y2O3、Bi2O3、Eu2O3、Tb4O7、CeO2可用相應(yīng)的鉭、鈮、镥、釓、鈮、釔、鉍、銪、鋱的其他化合物來進行配制，例如可用Ce(NO3)3來作為原料進行Ce摻雜，只要通過化合反應(yīng)能最終形成RE1-xDxTa1-yNbyO4化合物即可。
2.5如果在晶體生長過程中考慮分凝效應(yīng)，設(shè)晶體中某種元素的分凝系數(shù)為k(k＝0.01～1)，在2.1、2.2、2.3、2.4中含相應(yīng)元素的化合物的配料若為W克，則在配料中應(yīng)調(diào)整為W/k克。
所用原料Ta2O5、Nb2O5、Lu2O3、Gd2O3、Y2O3、Bi2O3、Eu2O3、Tb4O7、CeO2可用相應(yīng)的鉭、鈮、镥、釓、鈮、釔、鉍、銪、鋱的其他化合物來進行配制，例如可用Ce(NO3)3來作為原料進行Ce摻雜，只要通過反應(yīng)能最終形成RE1-xDxTa1-yNbyO4化合物即可。在配料前，Ta2O5、Nb2O5、Lu2O3、Gd2O3、Y2O3、Bi2O3、Eu2O3、Tb4O7、CeO2需預(yù)先進行烘干，烘干溫度可100～1300℃范圍內(nèi)。
3.RE1-xDxTa1-yNbyO4的壓制和燒結(jié)成型方法，把2中配好的原料進行充分混合后，用模具壓制成形(通常為圓盤狀)，在750～1300℃下燒結(jié)10～24小時，成為RE1-xDxTa1-yNbyO4晶體生長的初始原料。
4.按提拉法的裝爐工藝，把制備的晶體生長初始原料放入坩堝，采用鋯沙、石英罩、剛玉罩等構(gòu)成保溫系統(tǒng)，為晶體生長創(chuàng)造合適的溫場。其中坩堝可采用銥坩堝或鉬坩堝。
5.裝爐完成后，封閉單晶爐，通過機械泵、擴散泵抽真空后，充入保護氣氛，加熱至原料充分熔化并保持1～100小時。其中(1)加熱方式采用中頻感應(yīng)加熱或電阻加熱方式。(2)生長氣氛可采用惰性氣氛、還原氣氛，或弱還原氣氛。惰性氣氛可采用在提拉單晶爐內(nèi)充氮氣、氬氣、二氧化碳?xì)怏w等實現(xiàn)，還原氣氛可采用在提拉單晶爐內(nèi)充一氧化碳?xì)怏w、氫氣等還原性氣體來實現(xiàn)，弱還原氣氛可在惰性氣氛、還原氣氛中充入小于20％體積比的氧氣來實現(xiàn)。(3)在一些情況下，晶體生長過程中通流動氣氛。(4)充入保護氣體可為一種氣體或多種氣體的混合。
6.熔體恒溫一段時間后，略微降低溫度至適合下籽晶的溫度，緩慢讓籽晶下降至液面(籽晶頭略微進入液體)，然后以0.1～6mm/小時的拉速、0.1～50rmp的轉(zhuǎn)速進行提拉籽晶，并通過手動或自動調(diào)節(jié)生長工藝參數(shù)和溫度等，為晶體的生長創(chuàng)造適宜的條件，即可沿籽晶生長出RE1-xDxTa1-yNbyO4單晶體。其中(1)籽晶方向通常采用晶體的二次對稱軸或四次對稱軸方向，在一些特殊情況下采用其他方向長。(2)晶體生長形狀自動控制采用下稱重或上稱重等徑控制技術(shù)來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，其特征在于，所生長的鉭酸鹽的分子式表示為RE1-xDxTa1-yNbyO4，其中RE代表稀土離子Lu、Gd、Y；D代表摻雜離子，根據(jù)摻雜離子的不同，分別為Bi、Ce、Eu、Tb；下標(biāo)x、y表示摻雜替代的量，取值范圍為0～1；(1)、RE1-xDxTa1-yNbyO4的配料A、當(dāng)摻雜離子D為Bi、Eu時，采用D2O3(D＝Bi、Eu)、Ta2O5、RE2O3、Nb2O5為原料，RE＝Lu、Gd、Y，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+0.5xD2O3+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yNb2O5→RE1-xDxTa1-yNbyO4；B、當(dāng)摻雜離子D為Ce時，采用CeO2、Ta2O5、RE2O3、Nb2O5為原料，RE＝Lu、Gd、Y按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+xCeO2+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yTa2O5→RE1-xCexTa1-yNbyO4+0.25xO2↑C、當(dāng)摻雜離子D為Tb，采用Tb4O7、Ta2O5、RE2O3、Nb2O5為原料，RE＝Lu、Gd、Y，按如下化合式進行配料0.5(1-x)RE2O3+0.375xTb4O7+0.5(1-y)Ta2O5+0.5yTa2O5→RE1-xCexTa1-yNbyO4+0.5625xO2↑(2)、RE1-xDxTa1-yNbyO4的壓制和燒結(jié)成型將配好的原料進行充分混合后，用模具壓制成形，在750～1300℃下燒結(jié)10～24小時，成為RE1-xDxTa1-yNbyO4晶體生長的初始原料，或者壓制成形的原料不經(jīng)燒結(jié)而直接成為晶體生長的初始原料；(3)、裝爐與晶體生長所述的晶體生長初始原料為制備的RE1-xDxTa1-yNbyO4原料；RE1-xDxTa1-yNbyO4原料加熱熔化后為熔體；所用籽晶為RE1-xDxTa1-yNbyO4單晶，籽晶方向為晶體對稱性最高的方向，或其他任意方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，其特征在于所述的第(3)步中晶體生長結(jié)束后，可使晶體保持在熔體中或者提拉出熔體，然后在10～96小時之內(nèi)降至室溫，即可取出生長的RE1-xDxTa1-yNbyO4單晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，其特征在于所述的原料Ta2O5、Nb2O5、Lu2O3、Gd2O3、Y2O3、Bi2O3、Eu2O3、Tb4O7、CeO2可用相應(yīng)的金屬元素的其他化合物來代替，但需滿足能通過化合反應(yīng)能最終形成RE1-xDxTa1-yNbyO4化合物這一條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，其特征在于考慮在晶體生長過程中的分凝效應(yīng)，設(shè)所述晶體中某種元素的分凝系數(shù)為k，k＝0.01～1，則當(dāng)所述的(1)步驟中A、B、C的化合式中該元素的化合物的質(zhì)量為W時，則在配料中應(yīng)調(diào)整為W/k。
全文摘要
本發(fā)明涉及鉭酸鹽的提拉法晶體生長方法，所生長的化合物的分子式可表示為RE
文檔編號C30B15/00GK101050548SQ20071002225
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者張慶禮, 殷紹唐, 劉文鵬, 孫敦陸, 邵淑芳 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所