鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體及其熔體法生長方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體及熔體法生長方法，其分子式為La3Ga5(1-x)M5xSiO14(M=Cr、Mn、Co，0<x<1)，將La2O3、Ga2O3、M2O3、SiO2按比例配制并充分混合好后，壓制成形、高溫?zé)Y(jié)，成為晶體生長的起始原料；將晶體生長的初始原料放入坩堝經(jīng)加熱充分熔化后，成為熔體法生長的初始熔體，然后用熔體法來進(jìn)行生長，獲得其單晶。本發(fā)明采用價(jià)格相對便宜的Cr、Mn、Co元素來部分取代Ga，獲得La3Ga5(1-x)M5xO14，在保持其壓電性能、結(jié)構(gòu)情形下，改善或克服Ga揮發(fā)在晶體生長中對質(zhì)量的影響，獲得性價(jià)比高、有利于普及應(yīng)用的壓電晶體，用于通訊等領(lǐng)域。
【專利說明】鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體及其熔體法生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體及其熔體法生長方法，屬于壓電晶體和晶體生長領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]壓電晶體是聲表面波器件的重要材料，不斷發(fā)展的壓電晶體是促使聲表面波器件快速發(fā)展的重要因素。以擴(kuò)頻技術(shù)為標(biāo)志的新一代無線系統(tǒng)中，聲表面波器件由于具有大寬帶、優(yōu)異的通帶選擇性、極小的帶內(nèi)畸變、實(shí)時處理能力的特點(diǎn)而成為新一代各類寬帶無線通信系統(tǒng)中的信后前端、中頻信號處理的不可替代器件。石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體是較早被用來制作聲表面波器件，其中石英的介電、壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)相對較小，但具有良好的溫度穩(wěn)定性，因而適合制備對溫度穩(wěn)定性要求高的聲表面波器件；鈮酸鋰晶體的機(jī)電耦合系數(shù)大、傳播損耗小，是制備寬帶低損耗聲表面波器件的重要材料；鉭酸鋰也有大的機(jī)電耦合系數(shù)，聲衰減最小，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于鈮酸鋰，但早期由于其熔點(diǎn)比鈮酸鋰高，生長技術(shù)復(fù)雜，故沒有應(yīng)用在聲表面波器件上。但在1977年日本的065mm大尺寸鈮酸鋰生長成功后，鉭酸鋰開始用被用于聲表面波器件上。
[0003]在近年來，人們發(fā)展出了新型壓電單晶硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14，下簡記為LGS)，它具有適中的機(jī)電耦合系數(shù)、良好的溫度穩(wěn)定性，能夠滿足聲表面波器件對基片材料的基本要求；其聲表面波傳播速率低，這對實(shí)現(xiàn)器件小型化非常有利；其良好的高溫穩(wěn)定性好有望用于高溫環(huán)境，是許多高端運(yùn)應(yīng)用如航天領(lǐng)域的重要壓電晶體。這些優(yōu)點(diǎn)使得人們對LGS非常重視，對其性能、晶體生長做了大量的研究工作。由于LGS中的Ga組分原料很貴，限制了它的普及應(yīng)用；且在生長中Ga存在揮發(fā)，對晶體生長的控制和晶體質(zhì)量有很大影響，因而，人們對LGS中的Ga替代做了大量工作，以Al替代Ga即La3Ga5_xAlxSi014，但是Al替代的LGS的最大X值為1.5，且當(dāng)X = 0.9時，生長晶體會出現(xiàn)嚴(yán)重開裂，因而，Al取代Ga所取得的成本降低有限。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體及其熔體法生長方法，獲得性能優(yōu)良的壓電單晶，在通訊等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體，其分子式可表示為La3Ga5(1_x)M5xSi014，其中，M = Cr、Mn、Co，X的取值范圍為:0〈χ〈1。
[0007]鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體的熔體法生長方法，包括以下步驟:
[0008](I)采用La203、Ga203、M2O3> SiO2作為原料，按下列化學(xué)反應(yīng)式:
[0009]1.5La203+2.5 (l-x)Ga203 + 2.SxM2OdSiO2 > La3Ga611 x)\kSiO:4進(jìn)行配料，將
其充分混合均勻后，在900-1450°C下煅燒80-200小時發(fā)生固相反應(yīng)后，獲得生長晶體所需的多晶原料:[0010](2)將多晶原料壓制成形，在1000-1450°c燒結(jié)10_70小時，獲得晶體生長的初始原料；或者將多晶原料壓制成形后不經(jīng)額外燒結(jié)，直接用作晶體生長的初始原料；
[0011](3)將晶體生長的初始原料放入生長鉬坩堝、銥坩堝、鑰坩堝或鎢坩堝內(nèi)，通過感應(yīng)加熱或電阻加熱并充分熔化，獲得晶體生長熔體；然后采用熔體法晶體生長工藝-提拉法、坩堝下降法、溫梯法、熱交換法、泡生法、頂部籽晶法或助熔劑晶體生長方法進(jìn)行生長。
[0012]本發(fā)明熔體法生長鐵摻雜硅酸鎵鑭晶體時，包括采不用籽晶生長和采用用籽晶定向生長；對于采用籽晶定向生長，籽晶為Cr、Mn或Co摻雜硅酸鎵鑭單晶或純硅酸鎵鑭單晶，籽晶方向〈100〉、〈010〉或〈001〉方向。
[0013]本發(fā)明鐵摻雜硅酸鎵鑭晶體生長中存在Ga揮發(fā)，同時存在Cr、Mn、Co的分凝現(xiàn)象，生長出的晶體組分和配料組分會有差別，但在均在權(quán)利I所指明的范圍之內(nèi)；設(shè)Cr、Mn、Co的有效分凝系數(shù)為k，則考慮分凝效應(yīng)后，配制生長濃度為X的單晶的原料應(yīng)按下列化學(xué)化
學(xué)反應(yīng)式:1.5La,0, + 2.5(l-x/k)Ga203 + 2.5x/k M,0;+8?02 > La1Gahll-.kSiOH?行配制。
[0014]本發(fā)明配料中所用原料La2O3、Ga2O3、Cr2O3、Mn203、Co203、SiO2，可采用相應(yīng)的La、Ga、Cr、Mn、Co、Si的其它化合物代替，原料合成方法包括高溫固相反應(yīng)、液相合成、氣相合成方法，但需滿足能通過化學(xué)反應(yīng)能最終形成化合物L(fēng)a3Ga5(1_x) Cr5xSi014> La3Ga5(1-x)Mn5xSiO14 或La3Ga5(1_x)Co5xSiO14 這一條件。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]本發(fā)明采用價(jià)格相對便宜的Cr、Mn、Co元素來部分取代Ga，獲得La3Ga5(1_x)M5xO14,在保持其壓電性能、結(jié)構(gòu)的情形下，改善或克服Ga揮發(fā)對晶體生長中對質(zhì)量的影響，獲得具有性價(jià)比高、有利于普及應(yīng)用的壓電晶體，用于通訊等領(lǐng)域。
【具體實(shí)施方式】
[0017]需要設(shè)所需制備Cr摻雜濃度為10at%的鉻摻雜硅酸鎵鑭晶體，晶體生長所需的原料為500g，忽略Cr的分凝效應(yīng)(即k =1)，則熔體法晶體生長方法如下:
[0018](1)采用La203、Ga203、Cr203、Si02作為原料，按下列化學(xué)反應(yīng)式1.5La203
+ 2.25Ga203+0.25Cr203+Si02LaqGa4 sCrfl sSi014進(jìn)行配料；
[0019](2)按此比例共稱取 18.84g Cr203、242.29g La203、209.09g Ga2O3,29.79gSi02 充分混合均勻，然后在1200°C下煅燒100小時，壓制成餅狀，獲得晶體生長的初始原料；
[0020](3)將晶體生長的初始原料放入生長銥坩堝內(nèi)，利用JGD60型單晶爐系統(tǒng)，通過中頻感應(yīng)加熱并充分熔化，獲得晶體生長初始熔體；然后采用提拉法晶體生長工藝、以〈100〉方向的硅酸鎵鑭單晶為籽晶定向生長，獲得〈100〉方向生長的鉻摻雜硅酸鎵鑭單晶。
【權(quán)利要求】
1.一種鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體，其特征在于:其分子式可表示為 La3Ga5(H)M5xSiO14，其中，M = Cr、Mn、Co，x 的取值范圍為:0〈χ〈1。
2.如權(quán)利要求1所述的鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體的熔體法生長方法，其特征在于包括以下步驟: (1)采用La203、Ga203、M2O3>SiO2作為原料，按下列化學(xué)反應(yīng)式: 1.5La203+2.5 (l-x)Ga203 + 2.5xM203+Si02 ^ > La,Ga%oM,\SiOu進(jìn)行配料，將其充分混合均勻后，在900-1450°C下煅燒80-200小時發(fā)生固相反應(yīng)后，獲得生長晶體所需的多晶原料: (2)將多晶原料壓制成形，在1000-1450°C燒結(jié)10-70小時，獲得晶體生長的初始原料；或者將多晶原料壓制成形后不經(jīng)額外燒結(jié)，直接用作晶體生長的初始原料； (3)將晶體生長的初始原料放入生長鉬坩堝、銥坩堝、鑰坩堝或鎢坩堝內(nèi)，通過感應(yīng)加熱或電阻加熱并充分熔化，獲得晶體生長熔體；然后采用熔體法晶體生長工藝-提拉法、坩堝下降法、溫梯法、熱交換法、泡生法、頂部籽晶法或助熔劑晶體生長方法進(jìn)行生長。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體的熔體法生長方法，其特征在于:所述熔體法生長鐵摻雜硅酸鎵鑭晶體時，包括采不用籽晶生長和采用用籽晶定向生長；對于采用籽晶定向生長，籽晶為Cr、Mn或Co摻雜硅酸鎵鑭單晶或純硅酸鎵鑭單晶，籽晶方向〈100〉、〈010〉或〈001〉方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體的熔體法生長方法，其特征在于:所述鐵摻雜硅酸鎵鑭晶體生長中存在Ga揮發(fā)，同時存在Cr、Mn、Co的分凝現(xiàn)象，生長出的晶體組分和配料組分會有差別，但在均在權(quán)利I所指明的范圍之內(nèi)；SCr、Mn、Co的有效分凝系數(shù)為k，則考慮分凝效應(yīng)后，配制生長濃度為X的單晶的原料應(yīng)按下列化學(xué)化學(xué)反應(yīng)式:1.5Laz03 + 2.5 (Ι-χ/k) Ga2O3+ 2.5x/k M2O；+SiO2 —~ > La0Gasil'' kSiOu進(jìn)行配制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉻、錳或鈷摻雜硅酸鎵鑭晶體的熔體法生長方法，其特征在于:所述配料中所用原料La203、Ga203、Cr203、Mn203、Co203、Si02，可采用相應(yīng)的La,Ga,Cr,Mn,Co,Si的其它化合物代替，原料合成方法包括高溫固相反應(yīng)、液相合成、氣相合成方法，但需滿足能通過化學(xué)反應(yīng)能最終形成化合物L(fēng)a3Ga5(1_x)Cr5xSiO14、La3Ga5(1_x)Mn5xSiO14或La3Ga5(1_x)Co5xSiO14 這一條件。
【文檔編號】C30B29/34GK103603047SQ201310590352
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】張慶禮, 張琦 申請人:安徽火天晶體科技有限公司