LiNbO3晶體的生長報告人：王路平LiNbO3晶體的生長報告人：王路平目錄CONTENT研究背景PART

ONEPART

FOUR準備工作PART

TWO晶體結構PART

THREE生長設備PART

FIVE生長工藝目錄研究背景PARTONEPARTFOUR準備工作PARPART

ONE研究背景鈮酸鋰（LiNbO3）晶體近年來引起了極大的關注度，這是因為它具有優異的電光效應和非線性光學效應，還具有其他的優異性能，包括優良的電學、聲光學性能，較高的表面硬度，能夠進行高質量的表面加工，造價低廉等，因此它被廣泛的應用于全息儲存器、壓電、光電、波導和非線性光學設備。目前對于鈮酸鋰晶體的研究主要集中在摻雜改性，鈮酸鋰本身有光損失閾值低和光折變效應弱等缺陷，限制了它更廣泛的應用，人們經過研究發現，在鈮酸鋰晶體中摻雜一定的元素能夠在不改變晶體結構的前提下，改善它的性能，這為鈮酸鋰晶體更廣泛的應用指明了前進的方向。PARTONE研究背景鈮酸鋰（LiNbO3）晶體近年來引起晶體結構PARTTWOLiNbO3是無色或略帶黃綠色的透明晶體，熔點為1240±5℃，密度4.70×103Kg/m3，莫氏硬度為6。它具有鐵電相結構，屬3m點群，順電相結構屬3m點群。其結構如圖所示

LiNbO3晶體為類鈣鈦礦結構，可看作是由氧原子的畸變六角緊密堆積形成的三種氧八面體m3晶體結構PARTTWOLiNbO3是無色或略帶黃綠色的透理想的情況下六角堆積最緊密，形成正八面體。但實際上，該八面體是畸變的，而且[LiO6]和[NbO6]八面體畸變的程度不同。順電相時，Li位于氧三角形平面內，Nb位于兩層氧平面之間，即氧八面體中心，無自發極化。轉變為鐵電相后，晶格發生畸變，Li和Nb都有一小段位移，Li沿著晶體的+c軸移動0.071nm，Nb移動約0.026nm，這樣Li進入兩層氧平面之間，而Nb也偏離氧八面體中心，由此晶格產生畸變。理想的陽離子堆積順序為…LiNb--Li-Nb--…周期性重復

理想的情況下六角堆積最緊密，形成正八面體。但實際上，該八面體PART

THREE生長設備儀器名稱型號生產廠家提拉式晶體生長爐DJL-400西安理工大學晶體生長設備研究所可控硅中頻電源KGPEF25-0.3-2.5西安百瑞科技發展公司晃料器自制電子天平BS224S北京賽多利斯儀器系統有限公司X射線單晶定向儀DX系列丹東市東方晶體儀器有限公司切割機J5060-2/ZF型號陜西省蔡家坡西北機器廠拋光機ZYP200/280型沈陽麥科材料加工設備有限公司PARTTHREE生長設備儀器名稱型號生產廠家提拉式晶體生晶體生長爐晶體生長爐生長晶體所用的坩堝為鉑金坩堝，晶體的熔點1225℃，鉑金的熔點為1773℃。延展性強導熱導電性能良好，化學性質極其穩定，不溶于強酸強堿，不會在空氣中氧化。在高溫下的化學性能穩定。純凈的鉑金呈銀白色，具有金屬光澤，鉑金的顏色和光澤使天然形成的，且歷久不變。它比貴金屬中的黃金和白銀更加的珍貴和稀少生長晶體所用的坩堝為鉑金坩堝，晶體的熔點1225℃，鉑金的熔晶體提拉法Czochralski

首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調整爐內溫度場，使熔體上部處于過冷狀態；然后在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并轉動籽晶桿，使熔體處于過冷狀態而結晶于籽晶上，在不斷提拉和旋轉過程中，生長出圓柱狀晶體。

PART

FOUR準備工作晶體提拉法首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化前期準備工作晶體生長前期準備工作包括：坩堝的清洗，原料的稱量和晃料坩堝的清洗用體積1：1的HF酸和HNO3酸在加熱的條件下對鉑金坩堝進行清洗原料的稱量根據實驗配比計算所需原料的質量，用精度萬分之一的電子天平稱取所需原料，為了獲得高質量的晶體，原料的純度均為99.99%。晃料將精確稱取的原料放入晃料瓶中，然后放入晃料機中進行晃料使原料充分混合，晃料時間一般不小于10h前期準備工作晶體生長前期準備工作包括：坩堝的清洗，原料的稱量室溫750℃750℃1150℃1150℃2h2h1h10h冷卻生長流程圖2LiCO3(s)Li2O(s)+CO2(g)Li2O(s)+Nb2O5(s)2LiNbO3(s)PART

FIVE生長工藝室溫750℃750℃1150℃1150℃2h2h1h10h冷原料放入坩堝，坩堝置于爐中心，籽晶桿調整對準坩堝中心，升溫將原料融化為熔融狀態。原料融化1調整爐中溫度，使籽晶逐漸接觸液面，籽晶保持不融化不長大的狀態，以一定的速度旋轉。引晶2升高一定的溫度，使籽晶頭部變細。縮頸3將溫度下降到引晶的溫度，開始以一定的速率提拉，同時以一定的速率降溫，讓晶體慢慢長大放肩4晶體生長到一定尺寸的時候，要升高溫度停止生長，也是按照一定的速率升溫，最終溫度接近引晶的溫度收肩5等徑生長6。拉脫7晶體拉脫以后要按照一定的速率降溫至室溫。退火8收肩后，進入等徑生長階段。采用勻速降溫實現等徑生長，降溫幅度與生長的晶體尺寸以及提拉速度有關當等徑生長到所需的晶體長度后，停止提拉然后快速把晶體向上提升，使晶體脫離液面約5mm

原料放入坩堝，坩堝置于爐中心，籽晶桿調整對準坩堝中心，升溫將影響因素溫度梯度溫度梯度是晶體生長的推動力，包括軸向溫度梯度和徑向溫度梯度。軸向溫梯大，晶體容易生長，溫度容易控制，但晶體內應力大，容易產生裂紋；軸向溫梯小，可以減小內應力，避免開裂，但晶體外形難以控制，易出現組分過冷。一般都是通過大量的實驗數據得出的。晶體生長速度晶體生長面沿其法線方向(軸向)在單位時間內增長的厚度，稱為晶體的生長速度，

它包括機械上引速度和液面下降速度兩部

分。選擇合適生長速度的另一個作用是排除生長晶體的過程中的氣泡。晶體旋轉速度。退火速率應當盡量降低退火速率，使熱應力完全完放，避免晶體開裂。。1轉速加快，可使擴散層厚度減薄，提高液面以下的溫度梯度，因此有利于避免組分過冷和氣泡的產生2旋轉可攪拌熔體產生強制對流，增加溫場的徑向對稱性

3晶體的質量也受生長時固液界面平坦程度的影響，轉速是影響固液界面的重要因素。晶體生長過程中固液界面可能出現如圖3-2所示的三種情況。

影響因素溫度梯度溫度梯度是晶體生長的推動力，包括軸向溫度梯度正常生長液面平坦的固-液界面是保證晶體質量，減少晶體缺陷的重要條件

凹液面旋轉速度慢則界面變凸(b)），熔體受自然對流影響，界面熱

交換緩慢，晶體易產生組分過冷或包裹體。

。凸液面晶體旋轉速度快則液面變凹（如圖(c)），這時固-液界面穩定性不好，易產生生長條紋

正常生長液面平坦的固-液界面是保證晶體質量，晶體后處理定向切割極化拋光晶體后處理晶體的后處理包括極化，定向切割和拋光。晶體極化的是否完全，定向的是否準確，拋光是否完美在很大的程度上影響測試的結果。LiNbO3晶體是一維鐵電體，存在著自發極化，由于自發極化的方向不

同，在晶體中形成一個個的“疇區”，當激光束入射時，在疇壁處將發生散射。所以需要進行人工極化，變為單疇晶體。晶體定向切割由定向儀和切割機完成，所有晶體沿著C軸切割成C面晶體，厚度為2mm.將切割后的晶體放在拋光機上進行拋光，先用粒徑為20um的剛玉拋光粉進行粗拋光，再用粒徑5um的剛玉拋光粉進行細拋光。注意，再拋光前將拋光盤