氟化钙晶体生长的研究进展

随着深紫外光刻技术的发展,透光范围宽、透过率高的CaF2晶体成了人们关注的焦点,其尺寸和质量得到了不断的提高.结合CaF2的基本性质,综述了CaF2晶体的主要生长方法及存在的问题.从原料的纯化处理到晶体的光学加工,归纳总结了提高紫外级CaF2晶体的尺寸、质量和产率的有效措施.     

Ce3+单掺和Ce3+,Eu3+共掺杂CaF2晶体生长与光学特性研究

采用Bridgman方法在氩气氛保护的单晶炉内生长出了Ce3+掺杂的以及Ce3+和Eu3+共掺的CaF2晶体,利用Ce2O3和E2O3分别与氢氟酸反应合成了CeF3和EuF3掺杂试剂,对掺杂晶体生长的起始原料-特定组成的CaF2、CeF3、EuF3混合物进行了高温氟化处理,确定了掺杂晶体的物相,讨论了掺杂浓度对晶体紫外波段透过率的影响.此外,还初步分析了Ce3+和Eu3+共掺的CaF2晶体作为紫外滤光材料的可行性.     

氟化钙晶体缺陷对应力双折射影响机制的研究

氟化钙(CaF2)晶体具有紫外透过率高(>99;@193 nm)、抗激光损伤阈值高等特点,在高功率紫外激光器、深紫外光刻机等领域具有广泛的应用.应力双折射是氟化钙晶体在实际应用中的关键性能指标,会导致通过晶体的光束发生形变,严重影响成像质量.采用坩埚下降法制备了尺寸为φ210 mm的氟化钙晶体,系统研究了CaF2晶体的位错和小角度晶界以及结晶质量对晶体应力双折射的影响,实验结果表明,位错密度的增高、小角度晶界的聚集、结晶质量的变差,会引起局部残余应力的集中,加剧应力双折射现象.     

CaF2晶体的生长与光学性能

采用导向温度梯度法(TGT)生长CaF2晶体,建立了生长炉内的垂直温度梯度场.研究表明影响晶体质量及光学性能的主要因素包括坩埚材料、温度场、生长程序及原料纯度等.从大量的实验中总结出TGT法生长高质量CaF2晶体的生长条件如下:石墨坩埚;轴向梯度≤2℃/mm;生长降温速率1.5～2.5℃/h;冷却速率≤40℃/h.     

Yb:CaF2透明陶瓷的制备与性能研究

采用共沉淀法合成5at;Yb:CaF2纳米粉体.该粉体为纯立方CaF2相,平均颗粒尺寸为45 nm.Yb:CaF2纳米粉体呈立方体状,具有较好的分散性.通过真空预烧结合热等静压烧结(HIP)后处理制备5at;Yb:CaF2透明陶瓷,研究了真空预烧温度对陶瓷物相、致密度、显微结构及光学透过率的影响.结果表明,不同温度真空预烧的陶瓷均为纯立方相,在650℃真空预烧的5at;Yb:CaF2陶瓷经HIP处理后具有最好的光学质量,其在1200 nm处的直线透过率达到87;(厚度为3 mm).     

大尺寸金红石(TiO2)单晶体生长条件的实验研究

采用高纯(99.995;)、超细的金红石(TiO2)粉末为起始原料,用燃熔法制备了尺寸为30mm×50mm的金红石(TiO2)单晶体.讨论了生长气氛、生长速度、温度梯度在晶体生长中的作用,对比了晶体在空气中与在氧气中退火的结果,测定了晶体试样的摇摆曲线和透过率,并与商用晶体的透过率进行了比较.实验表明:生长气氛中的氧分压大于液固界面(即生长界面)处熔体的氧离解压是生长完整晶体的必要条件;在此条件下,能否生长为大尺寸晶体则取决于炉膛的轴向温度梯度;晶体在退火过程中可消除热应力,但退火更重要的作用是通过氧化反应消除氧空位,在氧气氛中退火,可明显缩短退火时间;所制备的晶体完整性较好,透过率与商用晶体基本一致.     

ZnGeP2单晶生长温场研究

根据ZnGeP2(ZGP)晶体的生长特性,自行设计组装了三段式独立控温生长炉,优化了温场分布.采用改进的垂直布里奇曼法成功生长出外观完整、无裂纹的ZGP单晶体,尺寸达15 mm×35 mm.对晶体进行解理实验和X射线衍射分析,发现ZGP晶体易沿(101)面解理,其回摆峰尖锐无劈裂.对未经退火处理的晶片进行红外透过率测试,在2～12 μm波段内红外透过率达45;以上.研究结果表明所设计的温场适合于ZGP单晶生长,生长出的ZGP晶体完整性好、质量较高.     

一种生长Ga3PO7晶体的新助熔剂体系

在MoO3-K2CO3体系中,借助于自发成核法,与MoO3-Li2CO3体系进行对照,找到一个新的适合Ga3PO7晶体生长的助熔剂体系;在新助熔剂体系下,采用顶部籽晶法生长出厘米级Ga3PO7晶体,晶体尺寸为30 mm×21 mm×9 mm;对其基本性质进行表征,在测试范围内所生长的Ga3PO7晶体透过率均在80;以上,具有高的透过率和宽的透过范围.     

高能电子辐照和退火对磷锗锌晶体红外光学性质的影响

对采用改进的垂直布里奇曼法生长出的磷锗锌(ZnGeP2)单晶体样品,在300 K,10 MeV高能电子束下进行辐照实验,测试辐照前后其红外透过率.同时,对样品进行同成分粉末包裹退火处理,对比两种工艺对磷锗锌晶体红外透过率的影响.实验结果表明,退火和高能电子辐照都能对磷锗锌晶体的红外光学性质产生影响,提高其红外透过率.在本文的实验条件下,退火工艺对磷锗锌晶体红外透过率的提高更为明显.     

AgGa1-xInxSe2晶体退火改性研究

采用改进布里奇曼法生长出外观完整的AgGa1-xInxSe2(x=0.2)单晶锭,晶体的红外透过率低,不能直接用于红外非线性光学器件制备.采用TA公司生产的SDTQ-600热分析仪进行DSC-TGA测试,发现其熔点为826.69℃,结晶点为750.86℃,总失重约为3.9217;.采用同成份粉末源包裹晶体,在抽空封结后进行退火处理.退火处理后晶体的红外透过率有明显改善.在4000cm-1～7000cm-1范围内红外透过率由原先低于25;改进到高于40;;在750cm-1～4000cm-1范围的红外透过率由原先低于45;改善到超过50;,在2000cm-1 ～750cm-1区域甚至高达60;.结果表明:采用同成分粉末源包裹,在抽空封结后退火处理能有效提高AgGa1-xInxSe2晶体的红外透过率,改善晶体的光学均匀性,退火后的晶体适合红外非线性光学器件制备.     

垂直Bridgman法生长Cd1-XMnxTe晶体的缺陷研究

本文采用垂直布里奇曼(Bridgman)法生长了尺寸为Φ30 mm×130mm的Cd1-xMnxTe晶体,利用Nakagawa腐蚀液显示了晶体的位错、Te夹杂相和孪晶缺陷,并采用傅立叶变换红外光谱仪研究了晶体的红外透过率与晶体缺陷之间的关系.结果表明:生长态Cd1-xMnxTe晶体的位错密度为104～105 cm-2,Te夹杂相密度为103～104cm-2,晶体中的孪晶主要为共格孪晶,孪晶面为[111]面,且平行于晶体生长方向.在入射光波数4000～500 cm-1范围,晶体的红外透过率为36.7;～55.3;,红外透过率越大,表明晶体的位错和Te夹杂相密度越低,晶体对该波长范围的红外光表现为晶格吸收和自由载流子吸收.     

碘化汞(α-HgI2)晶体生长及其性能表征

利用垂直两温区透明油浴炉,采用升华法成功生长了α-HgI2单晶体.通过对比不同生长阶段晶体生长界面,观察到HgI2晶体在气相生长中存在界面形貌转变.晶体生长初期的生长面呈棱面,然后逐渐转变为圆滑界面.利用XRD、透射光谱以及I-V测试对所生长晶体的性能进行了表征.XRD结果表明所生长的晶体为单相的α-HgI2晶体,晶体的生长方向为[001].紫外-可见-近红外透过光谱分析发现,HgI2晶体的截至波长为580 nm,对应的禁带宽度为2.12 eV,近红外区内透过率约为45;.由于空穴的俘获及陷阱能级作用,在2307.5 nm和1731.4 nm处产生了两个明显的吸收峰.所生长的α-HgI2晶体电阻率约为1011Ω·cm,满足制作核辐射探测器的要求.     

ZnGeP2晶体轴向成分均匀性的XPS分析

通过改进ZnGeP2晶体的合成和生长工艺,获得了尺寸为φ24 mm×60 mm的ZnGeP2单晶体.采用X射线光电子能谱(XPS)对生长出的晶体轴向成分进行了分析.结果表明,晶体在籽晶、放肩和主体部分成分一致,在尾部存在X射线衍射(XRD)未能检测出的极少量的P和Ge的氧化物,说明生长出的ZnGeP2单晶体的轴向成分比较均匀.红外透过率测试显示,晶体的轴向各部分在3 ～8 μm波长范围内透过率均在56;以上,而尾部在近红外波段(1.3～2.6 μm)的吸收明显要高于其他各部分.     

Growth of High Quality LiF Crystal with φ180 mm

通过对晶体原料的提纯及生长工艺条件的优化,采用改进的坩埚下降法成功地制备出直径达到180mm的高质量氟化锂单晶.晶体的透过率在0.2～6.5 μm波长范围内最高透过率约为94％.     

高质量直径180mm氟化锂晶体的生长

通过对晶体原料的提纯及生长工艺条件的优化,采用改进的坩埚下降法成功地制备出直径达到180mm的高质量氟化锂单晶.晶体的透过率在0.2～6.5 μm波长范围内最高透过率约为94;.     

无约束二次物理气相法CdSe单晶体的生长研究

在物理气相法的基础上,通过无约束二次气相输运法生长出具有自然显露面的尺寸约为6mm×7mm×2mmCdSe晶体.对生长晶体的结构、成分和形貌进行表征,测试发现:XRD粉末衍射图谱强度高无杂峰,CdSe晶体的3个自然显露面分别是(100)、(002)和(110)面,回摆曲线半峰宽度较小;ICP-MS结果显示样品中杂质含量有效降低;红外透过率测试结果显示无约束二次气相法生长的CdSe晶体红外透过率高;SEM观测发现其解理面呈阶梯状且台阶方向一致.结果表明,采用无约束二次气相法生长的CdSe晶体结晶质量较好,纯度高,红外透过率高,并根据BFDH模型分析CdSe晶体自然显露面出现的原因.     

大尺寸氟化钡晶体的生长

通过软件模拟设计合理的炉体温场结构,并对晶体原料的提纯及生长工艺条件进行优化,采用改进的坩埚下降法成功地制备出了大尺寸、高质量的氟化钡晶体.晶体的透过率在0.2 ～10 μm波长范围内高于85;,最高透过率约为94;.     

点籽晶定向生长70％DKDP晶体的研究

磷酸二氢钾(KDP)类晶体快速生长主要采用点籽晶快速生长方法,三维生长的点籽晶不可避免的会使晶体产生柱锥交界线,从而影响晶体的性能和质量.本文通过所设计的载晶架,改进传统点籽晶快速生长方法,采用点籽晶定向生长方法,成功生长出磷酸二氘钾晶体(70%DKDP),避开生长晶体中的柱锥交界线取片,并对其氘含量、透过率、抗激光损伤性能以及光学均匀性等指标进行了测试.结果表明:所生长的晶体氘含量符合设计要求,晶体透过率和抗激光损伤性能和传统点籽晶快速生长晶体保持一致.光学均匀性结果表明样片内部无柱锥交界线,对于大口径70%DKDP晶体的生长具有指导意义.     

磷锗锌晶体的热处理研究

采用改进垂直布里奇曼法生长出的磷锗锌(ZnGeP2,ZGP)晶体中存在各种缺陷,导致其红外透过率较低,刚生长的晶体不能直接用于制备红外非线性光学器件.分别采用真空、同成分粉末包裹和真空-同成分粉末包裹的复合退火工艺对生长的ZGP晶体进行了退火热处理研究.应用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、高阻仪(HRM)、X射线能谱仪(EDS)等对退火前后的晶体性能和成分进行了测试分析.结果表明,三种方法退火后晶体的红外透过率和电阻率都得到改善,其中复合退火工艺的改善效果最为显著,晶体红外透过率由41;提高到60;,电阻率由2.5×108 Ω·cm提高到7.2 ×108 Ω·cm,晶体成分接近ZGP理想化学配比,退火后晶体的光学和电学性能得到显著改善,可用于ZGP-OPO器件制作.     

泡生法高质量蓝宝石晶体的研究

报道了泡生法生长[0001]方向的高质量蓝宝石晶体技术.经测量晶体位错密度为2×103～1.3×104/cm2之间,并利用激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)进行晶体杂质含量准确测量与分析.在600～1200 am范围内,晶体透过率均在80;以上;在1200～3000 nm范围内,晶体透过率均在85;以上.目前使用泡生法制作的蓝宝石晶体在商业产品使用中表现出良好性能.