專利名稱：鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料技術領域，具體涉及鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法。
背景技術：
鈮酸鋰晶體是一種集壓電、電光、聲光、非線性、光折變及激光活性等效應于一身 的晶體材料，其在光學全息存儲、倍頻、調制、聲表面波、頻譜分析、紅外探測器、光圖像處 理、光放大、光轉換、光開關、窄帶濾波、相位共軛和參量振蕩等眾多方面有廣泛的應用，是 至今人們所發(fā)現(xiàn)的光學性能最多、綜合指標最好的人工晶體?，F(xiàn)已廣泛用于制作各種光學 及壓電器件，并在光子海量存儲器、光學集成等方面具有廣闊的應用前景，被公認為光電子 時代的“光學硅”的主要候選材料之一。近年來，上轉換可見光在紅外探測，顯示技術，信息技術以及上轉換激光器等方面 的研究越來越受到人們的重視。目前，有人通過稀土離子的摻雜實現(xiàn)了上轉換可見光的輸 出，但基質材料多集中在各向同性的材料中，例如納米材料，玻璃材料，陶瓷材料和有機材 料等等，且由于均勻性，穩(wěn)定性等限制了其在許多領域的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術制備的上轉換發(fā)光材料存在應用局限性的技術問題；而提 供了鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法。本發(fā)明中鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶，鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體由 Li2C03、Nb205、Ho203、Yb2O3 和 Tm2O3 制成；其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 85 1. 38 1， Ho2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為0. 5% 5% (摩爾)，Tm2O3 的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)。本發(fā)明中鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法是按下述步驟進行的一、稱取 Li2C03> Nb2O5, Ho2O3^Yb2O3 和 Tm2O3,其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 85 1. 38 1，Ho2O3 的摻雜濃度為0. 01 % 1 % (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為0. 5% 5% (摩爾)，Tm2O3的摻 雜濃度為0.01% (摩爾)；二、將步驟一稱取的Li2C03、Nb205、Ho203、Yl3203和Tm2O3均勻 混合后放入鉬坩堝，然后置于650 750°C的環(huán)境中燒結1 5h，再升溫至1100 1200°C的 環(huán)境中燒結1 4h，隨爐冷卻至室溫；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，得到多疇晶體；四、將多疇晶體置于極化爐內，室溫下以580 6000C /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的速度退火至室溫，即得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，鈥鐿銩三摻 雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單晶。本發(fā)明方法鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體在紅外光的激發(fā)下，同時產生位于660nm的 紅光發(fā)射，550nm左右的綠光發(fā)射和475nm左右的藍光發(fā)射，實現(xiàn)了上轉換紅綠藍光的同時 輸出。本發(fā)明方法得到鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的物理化學穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性高，均勻性 好且具有各相異性，集優(yōu)良的壓電、電光、聲光和非線性光學集于一身，這種發(fā)光材料的研究不僅具有廣闊的應用前景，還將對設備的集成化以及設備的小型化發(fā)展起關鍵性作用。 為鈮酸鋰晶體在照明及夜視方面提供了應用基礎。


圖1是具體實施方式
十七中所得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體在980nm紅外光激發(fā)下 的上轉換發(fā)光光譜圖；圖2是具體實施方式
十七中所得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的XRD圖， 圖2中a表示鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的XRD圖，b表示鈮酸鋰晶體標準樣XRD圖。
具體實施例方式本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶，鈥鐿 銩三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3和Tm2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩 爾比為0. 85 1. 38 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為
0.5% 5%(摩爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0.01% (摩爾)。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述Li2CO3和Nb2O5的 摩爾比為0. 946 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 1 % (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為3% (摩爾)， Tm2O3的摻雜濃度為0.6% (摩爾)。其它步驟和參數(shù)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
一或二不同的是所述的Li2C03、 Nb2O5,Ho2O3^Yb2O3和Tm2O3的質量純度均高于99. 99%。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
一 或二相同。
具體實施方式
四本實施方式鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法是按下述步驟 進行的一、稱取 Li2CO3、Nb2O5、Ho203、Yb203 和 Tm2O3，其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 85
1.38 1，Ηο203的摻雜濃度為0.01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為0.5% 5% (摩 爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)；二、將步驟一稱取的Li2C03、Nb2O5, Ho203、 Yb2O3和Tm2O3均勻混合后放入鉬坩堝，然后置于650 750°C的環(huán)境中燒結1 5h，再升溫 至1100 1200°C的環(huán)境中燒結1 4h，隨爐冷卻至室溫；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，得到多疇晶體；四、將多疇晶體置于極化 爐內，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的速度退火至室溫，即得鈥鐿銩三摻雜 鈮酸鋰晶體，鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單晶。本實施方式在步驟三中引晶程序將經(jīng)過燒結的多晶料升溫至熔化，并保持熔化 溫度lh，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熱應力以及摻雜帶來的結構應力。
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、 Nb2O5、Ho2O3、Yb2O3 和 Tm2O3 ；其中 Li2CO3 和 Nb2O5 的摩爾比為 0. 946 LHo2O3 的摻雜濃度為 0. Imol %, Yb2O3的摻雜濃度為3mol%，Tm2O3的摻雜濃度為0. 6mol%。其它步驟和參數(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
四或五不同的是步驟二中置于700°C的環(huán)境中燒結池，再升溫至1150°C的環(huán)境中燒結池。其他步驟及參數(shù)與具體實施方 式四或五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟二中多 晶料熔化溫度為1250°C。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
四至七之一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。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至七之 一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是步驟三中引 晶、放肩、收肩和等徑生長過程中保持15 30r/min的轉速和0. 1 2mm/h的晶體提拉生 長速度；在退火程序中晶體保持10 15r/min的旋轉速度。其它步驟和參數(shù)與具體實施方 式四至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
四至九之一不同的是步驟三中縮 頸程序中籽晶的直徑縮細為在1 2mm。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至九之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
四至十之一不同的是步驟三中 等徑生長程序中溫度以1°C /h的速度下降。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至十之一相 同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
四至十一之一不同的是步驟三 中晶體提拉生長速度為0. 5mm/h。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至十一之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟三 中晶體向上拉脫2mm，升溫0. 1 2°C，保持1 lOmin，然后進行退火。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
四至十三之一不同的是步驟三 中退火程序中溫度以20 80°C /h的速度退火，降低溫度至室溫。其它步驟和參數(shù)與具體 實施方式四至十三之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
四至十四之一不同的是步驟四 中室溫下以500°C /h的速度升溫至1180°C，在極化電流密度為5mA/cm2的條件下極化2h， 然后以80°C /h的速度退火。其他步驟及參數(shù)與具體實施方式
四至十四之一相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
四至十五之一不同的是步驟一 所述的Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3和Tm2O3的質量純度均高于99. 99%。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
四至十五之一相同。
具體實施方式
十七本實施方式制備Ho，Yb和Tm三摻雜鈮酸鋰晶體的方法按以 下步驟實現(xiàn)一、稱取Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3和Tm2O3，其中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為 0. 946 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. Imol %, Yb2O3的摻雜濃度為3mol %，Tm2O3的摻雜濃度為 0. 6mol% ；二、將稱取的Li2C03、Nb2O5, Ho203、Yb2O3和Tm2O3均勻混合后放入鉬坩堝，然后置 于700°C的環(huán)境中燒結3h，再升溫至1150°C的環(huán)境中燒結3h，隨爐冷卻至室溫；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，得到多疇晶體；四、 將多疇晶體進行極化，室溫下以500°C /h的速度升溫至1200°C，在極化電流密度為5mA/cm2 的條件下極化30min，然后以80°C /h的速度退火至室溫，即得HoJb和Tm三摻雜鈮酸鋰晶 體。其中步驟三中引晶程序將經(jīng)過燒結的多晶料升溫至熔化，并保持熔化溫度lh，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。鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單晶。步驟一所述Li2C03、Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3 和 Tm2O3 的質量純度均為 99. 999%。本實施方式中所得Ho，Yb和Tm三摻雜鈮酸鋰晶體經(jīng)Y面定向切割和拋光后進行 上轉換發(fā)光光譜測試。在紅外光的激發(fā)下，同時產生位于660nm的紅光發(fā)射，550nm左右的 綠光發(fā)射和475nm左右的藍光發(fā)射。通過Ho，Yb和Tm離子的摻雜實現(xiàn)了鈮酸鋰單晶體系 中上轉換可見光的輸出。由圖2可知摻雜之后產品的結構沒有改變。
權利要求
1.鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶， 鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體由Li2C03、Nb205、Ho203、Yb203和Tm2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的 摩爾比為0. 85 1. 38 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度 為0.5% 5% (摩爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0.01% (摩爾)。
2.根據(jù)權利要求1所述的鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于所述Li2CO3和Nb2O5的 摩爾比為0. 946 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 1 % (摩爾)，Yb2O3的摻雜濃度為3% (摩爾)， Tm2O3的摻雜濃度為0. 6% (摩爾)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，其特征在于所述的Li2C03、 Nb2O5, Ho2O3> Yb2O3 和 Tm2O3 的質量純度均高于 99. 99%。
4.如權利要求1所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于鈥鐿銩三摻雜 鈮酸鋰晶體的制備方法是按下述步驟進行的一、稱取Li2C03、Nb205、Ho203、Yb203和Tm2O3，其 中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為0.85 1.38 1，Ho2O3的摻雜濃度為0. 01 % 1 % (摩爾)， Yb2O3的摻雜濃度為0. 5% 5% (摩爾)，Tm2O3的摻雜濃度為0. 01% (摩爾)；二、 將步驟一稱取的Li2C03、Nb205、Ho203、Yb203和Tm2O3均勻混合后放入鉬坩堝，然后置于650 750°C的環(huán)境中燒結1 5h，再升溫至1100 1200°C的環(huán)境中燒結1 4h，隨爐冷卻至室 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，得到 多疇晶體；四、將多疇晶體置于極化爐內，室溫下以580 600°C /h的速度升溫至1160 12000C，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 速度退火至室溫，即得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體，鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體為三方晶系單 晶。
5.根據(jù)權利要求4所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，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)權利要求5所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中引 晶、放肩、收肩和等徑生長過程中保持15 30r/min的轉速和0. 1 2mm/h的晶體提拉生 長速度；在退火程序中晶體保持10 15r/min的旋轉速度。
7.根據(jù)權利要求6所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中縮 頸程序中籽晶的直徑縮細為在1 2mm。
8.根據(jù)權利要求7所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中等 徑生長程序中溫度以1°C /h的速度下降。
9.根據(jù)權利要求8所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在于步驟三中晶 體向上拉脫2mm，升溫0. 1 2°C，保持1 lOmin，然后進行退火。
10.根據(jù)權利要求4 9中任一項所述鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體的制備方法，其特征在 于步驟三中退火程序中溫度以20 80°C /h的速度退火，降低溫度至室溫。
全文摘要
鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法，它屬于材料技術領域。本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術制備的上轉換發(fā)光材料存在應用局限性的技術問題。鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體是三方晶系單晶，其由Li2CO3、Nb2O5、Ho2O3、Yb2O3和Tm2O3制成。方法一、稱??；二、燒結；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，得到多疇晶體；四、極化，即得鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體。本發(fā)明方法鈥鐿銩三摻雜鈮酸鋰晶體實現(xiàn)了上轉換紅綠藍光的同時輸出，物理化學穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性高，均勻性好且具有各相異性，對設備的集成化以及設備的小型化發(fā)展起關鍵性作用。為鈮酸鋰晶體在照明及夜視方面提供了應用基礎。
文檔編號C30B29/30GK102094241SQ20111006050
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權日2011年3月14日
發(fā)明者徐衍嶺, 王銳, 邢麗麗, 郭倩, 錢艷楠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學