KTiOAsO晶體的水熱法生長①4

盧福華,周海濤,張昌龍,霍漢德,王金亮,覃世杰,左艷彬,周衛寧

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,國家特種礦物材料工程技術研究中心廣西桂林541004)

KTiOAsO晶體的水熱法生長①4

盧福華,周海濤,張昌龍,霍漢德,王金亮,覃世杰,左艷彬,周衛寧

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,國家特種礦物材料工程技術研究中心廣西桂林541004)

文章報道了水熱法生長KTiOAsO4晶體的結果,結果表明,以KH2AsO4和TiO2為培養原料, 2mol/L KF為礦化劑,生長出了尺寸可達19×20×12mm3(a×b×c)的KTA晶體,晶體沿(011)方向的生長速度為0.10mm/d,晶體的透過率測試結果表明:晶體在450nm～2500nm波段內透過率60%以上。

水熱法;KTiOAsO4;透過率

1 引言

砷酸鈦氧鉀KTiOAsO4(簡稱KTA)晶體是KTiOPO4(KTP)晶體家族中的一員,同時也是一種性能良好的激光倍頻材料,具有優異的非線性光學性能,如較高的非線性光學系數,光電轉換系數大,很高的激光損傷閾值,較低的相位匹配溫度敏感性,較大的角度帶寬和穩定的相位匹配等特性[1]。KTA晶體具有KTP晶體的大部分優點,同時在二次倍頻轉換效率、電光特性和離子導電率等方面又有許多不同[2,3],其實用價值很大。到目前為止已經有很多科學技術工作者對KTA晶體的生長、性質以及鐵電疇等缺陷問題進行了系統研究[4,5]。由于KTA晶體是一種多疇晶體,采用助溶劑法生長難以避免各種缺陷,特別是疇的存在,所以要想獲得缺陷少,質量好的KTA晶體較為困難[1,6],這就要求我們尋找新的方法生長出質量更好的KTA晶體。

水熱法具有生長溫度低、晶體在低過飽和度下結晶,生長的晶體具有應力小、質量好的特點,這將有助于改善晶體的理想配比關系、提高晶體的均勻性及完整性,有利于提高晶體的光學質量、抗光學損傷能力等。因此采用水熱法生長KTA晶體有可能解決助熔劑法存在的問題,使KTA晶體這一材料得到廣泛應用,這將促進我國晶體材料以及中遠紅外全固態激光器的發展,為我國的軍事、工業等現代化做出貢獻。

本文報道了采用水熱法,在以KH2As O4和TiO2為培養料,2mol/L KF為礦化劑的條件下,生長KTA晶體的結果。

2 晶體生長實驗

2.1 實驗裝置

水熱法生長KTA晶體的過程是在Φ38× 700mm3高壓釜中進行的,高壓釜裝置結構基本原理圖如文獻[7]報道中所示。

2.2 實驗結果

實驗中我們采用KH2AsO4和TiO2為培養原料,培養原料按照化學反應方程式(1)進行配料,晶體生長的有關工藝參數如表1所示。

表1 水熱法生長KTA晶體的有關工藝參數Table 1 Related process parameters of the growth of KTA crystal by hydrothermal technique

在此生長條件下,生長出比較透明、無色、外形良好、尺寸達到19×20×12mm3(a×b×c)的KTA晶體,如圖1所示。KTA晶體沿(011)面的生長速度為0.10mm/d。

圖1 水熱法生長的KTA的晶體Fig.1 KTA crystal grown by hydrothermal method

2.3 晶體透過率曲線

我們把水熱法生長的KTA晶體//(011)方向切割出了質量比較好的1.8mm厚的薄片,經過研磨拋光后,采用LAMBDA900分光光度計測試了KTA晶體在200～3000nm波段透過率,透過率曲線如圖2所示。從圖2可以看出,KTA晶體的透過率在450nm～2500nm波段內曲線比較平坦,其透過率在60%以上,這說明所生長的KTA晶體的光學透過率性能比較好。

圖2 水熱法KTA晶體的透過率曲線Fig.2 Transmittance curve of KTA crystal grown by hydrothermal method

從圖2中還可以看出水熱法生長的KTA晶體在約2700nm波段附近存在一個比較強的吸收峰,該吸收峰是由OH-引起的,這和水熱法生長的KTP晶體的透過率曲線相似[7]。這主要是由于水熱法生長晶體的過程中,礦化劑溶液中的水分子,在高溫高壓條件下分解后OH-離子進入晶格中造成的,這是水熱法生長晶體的共性。

3 結果與討論

3.1 結晶形貌

在水熱法生長KTA晶體實驗中,我們采用的是//(011)的籽晶進行KTA晶體的生長,其形貌如圖3所示。從圖3中可以看出,KTA晶體顯露的晶面有:平行雙面(100),雙面e(011),r(101)和斜方柱(210)等,由于其中(001)和(010)生長速度最快,完全消失。從圖中可以看出,水熱法和熔鹽法生長的KTA晶體的形貌基本一致[8]。

圖3 水熱法KTA晶體結晶形態Fig.3 Crystal form of KTA crystal grown by hydrothermal method

3.2 自發成核

在實驗中發現:在黃金襯套管的內壁上端有比較多的自發成核晶粒(見圖4所示),其XRD測試圖如圖5所示,從圖中可以看出,雖然有少許雜質峰,但是其主要衍射峰與KTA標準PDF卡片圖譜吻合得比較好,由此可以確定該自發成核晶粒主要成分為KTA,這說明KF對培養料的溶解能力比較好,因此采用KF試劑可以作為水熱法生長KTA晶體的一種礦化劑。

圖4 自發成核晶粒Fig.4 Crystals by spontaneous nucleation

圖5 自發成核晶粒的XRDFig.5 The XRD of ctystals by spontaneous nucleation

4 結論

以2mol/L KF作為礦化劑,KH2AsO4和TiO2為培養料,在水熱條件下生長出了尺寸為19×20× 12mm3(a×b×c)mm3的KTA晶體,這為KTA晶體的生長提供了一種新的方法,這既增加了KTA晶體的生長方法,同時也為更好的研究KTA晶體的性能打下良好的基礎。

[1] 牟其善,劉希玲,馬長勤,等.KTiOAsO4晶體的生長缺陷研究[J].無機材料學報,2000(15):584-588.

[2] Bierlein J D,Vanherzeele H.Appl Phys Lett.,1989(54):783-784.

[3] Cheng L K,Cheng L T,Bierlein J D,et al.Appl Phys Left, 1993(62):346-48.

[4] Loiaetmo G M,Imiaomao D N,Zola J J,et al.Optical Properties and Ionic Conductivity of KTiOAsO4[j].Appl Phys Lett., 1992(6):895.

[5] 魏景撳,王繼揚,劉耀崗,等.KTiOAsO4晶體的生長和性質研究[J].人工晶體學報,1994(2):95-100.

[6] 牟其善,劉希玲,李可,等.KTiOAsO4晶體的鐵電疇與位錯的多種實驗方法研究[J].人工晶體學報,2000(29):360-362.

[7] Zhang Chang-long,et al.Growth of KTP crystals with high damage threshold by hydrothermal method[J].Journal of Crystal Growth,2006,292:364-367.

[8] H.G.Gallagher,et al.Crystal growth and characterization of KTiOAsO4[j].Journal of Crystal Growth,2001,224:303-308

KTiOAsO4Crystal Grown by Hydrothermal Technique

LU Fu-hua,ZHOU Hai-tao,ZHANG Chang-long,HUO Han-de,WANG Jin-liang,
QIN Shi-jie,ZUO Yan-bin,ZHOU Wei-ning (National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004)

The KTA crystal grown by hydrothermal technique has been reported in this article.The result shows that the KTA crystal of a size up to 19×20×12mm3(a×b×c)has been obtained by using KH2AsO4and TiO2as cultivating materials and 2mol/L KF as mineralizer.The growth rate of KTA crystal along(011)was 0.10mm/d.The transmittance test of the crystal shows a result of over 60%between the waveband of 450nm～2500nm.

hydrothermal technique;KTiOAsO4;transmittance

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0042-03

2014-12-16

盧福華(1981-),男,廣西桂林人,工程師,研究方向:水熱法人工晶體的生長。

科研院所技術開發研究專項資金(2008EG115059)

張昌龍,教授級高工,E-mail:zhchl@rigm.ac.cn