高熔點稀土倍半氧化鈧(Sc2O3)晶體的生長

趙衡煜,侯文濤,薛艷艷，王慶國，董建樹，雷震霖，徐曉東，徐 軍

(1.同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092;2.中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司，沈陽 110179；3.江蘇師范大學物理與電子工程學院，徐州 221116)

稀土倍半氧化物晶體基質(Lu2O3、Sc2O3、Y2O3)具有一系列優點：立方晶系、無雙折射。關于倍半氧化物的晶體學研究最早可以追溯到1928年。自20世紀60年代初以來，就有大量關于倍半氧化物物理性質的研究。科學家們發現，它們不僅具有與Y3Al5O12(YAG)晶體相當的機械性能和光學性能，還具有較高的導熱率。其中，氧化鈧的熱導率為16.5 W/(m·K)，透光波段為0.23～8 μm。氧化鈧具備較高的抗沖擊因子和高破壞閾值，使其在高功率、微片、超快、中紅外和可見光波段激光等方面具有重要應用前景。

晶體學家們嘗試了多種晶體方法來獲得倍半氧化物晶體，然而氧化鈧晶體的熔點(2 470 ℃)已經高于大部分傳統的金屬坩堝材料的熔點，不僅生長成本昂貴，而且高溫環境下會給英寸級的晶體生長帶來一系列挑戰。光學浮區晶體生長法是一種高效的研究稀土離子倍半氧化物晶體性能的方法，但是由于固熔界面處的溫度梯度極大，所生長的倍半氧化物晶體難以突破φ20 mm的尺寸上限。目前，國際上最大的倍半氧化物晶體是德國漢堡大學在2008年獲得的尺寸φ35 mm×40 mm的Yb/Er∶Lu2O3晶體[1]。最近山東大學尹延如用導模法成功生長了φ25 mm×30 mm的Er∶Lu2O3晶體[2]，填補了我國在英寸級尺寸的倍半氧化物晶體生長能力的空白。

圖1 (a)氧化鈧晶體與(b)雙面拋光的氧化鈧晶體側切片Fig.1 (a) Sc2O3 bulk crystal and (b) doulesidepolihed side slicing

熱交換法避免了晶體提拉法中的重力影響，并且可以控制籽晶部位的熱流和能量輸運，因此可以得到高質量、大體積的晶體。溫度梯度法則可以較好地控制熔體軸向的溫梯分布，改善熔體頂部-坩堝底部之間非受迫對流對溫場的影響。本課題組自主研發制造的超高溫晶體生長爐采用了熱交換-溫梯法的熱場結構，克服了高溫環境下坩堝污染與溫度梯度分布不均導致結晶驅動力不足的難題，成功獲得了2英寸級的氧化鈧晶體。外形尺寸為φ55 mm×50 mm，質量250 g，其中等徑生長部分高度為40 mm。這是目前已知的最大尺寸的倍半氧化物單晶。由坯晶側面所切下的弧形切片如圖1(a)所示，切片的整體尺寸為35 mm×35 mm×12 mm。雙面拋光的弧形切片呈現無色透明且外形完整、內部無氣泡或其他可觀察到的宏觀缺陷(見圖1(b))。經XRD測試，峰位在31.5°的衍射峰對應的晶向為(222)，峰位在65.7°的衍射峰則屬于(444)方向。考慮到兩個衍射峰的hkl參數存在倍數關系，可認為該樣品為單晶相。經雙晶搖擺(RC)曲線測定，θ為15.76°的衍射峰半高寬(FWHM)為113″(見圖2)。在勞厄測試中，氧化鈧晶體的電子衍射花樣圖案清晰，與理論的電子衍射花樣高度一致，顯示晶體具有良好的結晶程度(見圖3)。

圖2 (a)氧化鈧晶體的XRD圖譜與(b)雙晶搖擺曲線Fig.2 (a) XRD pattern of Sc2O3 crystal and (b) RC curve

圖3 氧化鈧晶體的勞厄測試花樣 (a)計算機模擬(100)方向衍射花樣;(b)(100)方向的測定花樣Fig.3 Laue diffraction pattern of Sc2O3 bulk crystal (a) simulation result of (100); (b) measuring result of (100)

[2] YIN Y R, WANG G J, JIA Z T, et al. Controllable and directional growth of Er∶Lu2O3single crystals by the edge-defined film-fed technique[J]. CrystEngComm, 2020, 22(39): 6569-6573.