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电 光 晶 体 材 料 的 生 长
本文介绍的是光通信 、 光信息处理或显
示等激光应用晶体〔” , 特别是在可见光波段
透明的晶体 。
在所谓可见光范围内透明的条件 , 是指
人以下短波长的吸收端 。 这个吸收端相
当于带宽 电子伏以上 , 因此是电绝缘体 。
根据能带和折射率的经验 , 折射率限定在
以下 。 总之 , 光电晶体卿中除不透明半导体 、
磁性材料外 , 其余就是所说的电光晶体 , 主
要是介质晶体和离子晶体 。
很早以前 , 方解石 、 水晶 、 云 母 、
等透明晶体都用作光学机械的棱镜 、 偏光板 、
相位板等基质晶体 , 但近来激光已达实用阶
段 , 这些晶体也开始使用在信息处理 、 通信 、
测量和精密加工等方面 。 为激光器件用而研
制的电光晶体材料的种类很多 , 这些单晶材
料的发展又促进 了应用面的扩大 , 因而激光
技术的进展是很显著的 。
用于有关激光方面的单晶材料有
固休激光晶体卿 正在使用的 红 宝石 、
和 。 ‘ , ,
等在固体材料方面都可作为主要的激光晶体
材料 , 最近以激活离子作化合物组成元素的
,‘ 〔‘ , 和 一 〔‘ 〕
正在美国贝尔实验室和 日本研究 。
非线性光学晶体 〔幻 利用它的二次倍频
可产生光倍频 二次谐波 和光参量放大 。
目前使用的除 ‘ , , 等水
溶晶体和 , 。 , 。 ,
, 。 等复合氧化物晶体外 , 日
本研 究 的 。 , 也
是比较好的单晶材料 。
电光昌体 〔’〕 这是利用由外场产生双折
射变化的现象进行光调制 、 偏转的晶体材料 、
应用很广的有 ‘ ‘ 、 ‘
、 。。 另外 , 固溶体单晶 、
。 、 、 缩写为
有显著的效果 , 日本发现 , ,
, 的温度稳定性很好 〔吕〕, 很受人们重视 。
声光晶体〔。〕 这种晶体利用 光 弹 性 效
应 , 通过晶体中的超声波进行光偏转和调制 。
日本在材料研究方面进展显著 , 也就是 说 ,
同贝尔实验室发表 的 子 , , ,
。相对而言 。 有前途的 , ,
。 ‘ ‘ 等单晶材 料 都是
日本研制的 。 再者 , 和 。 ,
〔‘。’作为超声波发生用压电单 晶 是特
别好的材料 。
空间润制 体 它的功能是用电气性能
的
把空间信息给予射入晶体中的光束 。
这种晶体有利用电极化反转产生 自发双折射
符号反转现象的川 ’ ‘ 二 , ‘
, , 还有利用 自然旋光能符号随 极化反
向而反转现象的 等 ’ 〕。 兼
有光电导效应和狭义电光效应的 , 。也
是很好的多功能 空 间 调 制 器 用 的 单晶材
料 〔 , , 〕。
光存储器用 体 所说的光损伤效应就
是利用强光射入时 , 局部折射率发生变化的
现象 〔“ , , 从
密度和衍射 效 率 来看这一
方式是很有希望的 。 现 正 在 研 究
, , 和 , 等单晶材料 。 此外 ,
利用光照射产生颜 色 的 光 色 效 应 晶 体有
,
,
, 还有着眼于 由色心 产 生光
古烟芳男 , 电气光 学结晶必育成 , 仁结 晶 成长学会
豁 , 一 年 , , 滩 传宝 译 曾平 川校
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双色性的 晶体等 。
红外探浦昌体 〔’幻 利用热产生 电 荷 的
热电效应来检测激光 , 已应用的有
‘ 缩写为 , , ,
等。
光路 用晶体 起偏镜用的晶体有 。,
, 一 相位板用的晶 体 有 水晶 ,
云母 , ‘
·
, 。, 红 外
窗及棱镜用的晶体有 , , ,
等 , 这些都是无源元件 。 但是利用光弹性效
应改变从外部进入的超声波频率来调整光透
过区的有源元件声光调谐滤波器用的晶体有
一 , , 等〔’”, 。 现在 在各
种器件中应用或正在研究的主要电光晶体收
集于表 〔‘ 〕。 其它以集成光路为 目标 的 光
波导回路用 , 等薄膜单晶正在
活跃起来 。
若将上述材料用于电光学方面就需要生
长出光学质量高而且尺 寸相当大 的晶体 。 迄
今发表的电光 晶体材料的生长 方 法 列 于表
。 就晶体兼有电光学的用途和透明光学物
理性能两者而言 , 在结品化学上就反映出各
种问题 , 与此相应单晶生长 技 术 也 多种多
样‘ ’ 〕。
在光电子学出现之前 , 尸, 等水
溶性晶体和水晶等压电单晶 , 或 ,
等低融点离子晶体 , 在电子学及光学仪器等
方面已广泛应用起来了 。 因而 , 生长水溶性
晶体采用的溶液缓慢冷却法 、 溶剂缓慢蒸发
法 , 溶液循环法 、 生长水晶的水热合成法以
及生长低融点离子晶体采用的增涡引下法等
生长技术已达到 了相当高的水平 。
目前 , 光调制用的 ,
, 光偏转用的 , 光谐波发生用
的 、 、 , 光检测用的
等单晶都适用上述三种水溶液生长 法 , 已能
稳定生长光学性能非常好的大型单晶 。 但水
溶液法生长时间长 , 而且得到的晶体在防潮 、
防化学药品、 耐热性等方面还有缺点。
上述柑涡引下法最近逐步改善 , 可以得
到偏光棱镜及红外窗用的 和 等直径
厘米和高 厘米的大晶锭 。 虽其优点是炉
内气氛控制较容易 , 但晶体在生长过程中不
能观察 , 并且还有由于晶体和柑祸密接而很
容易产生的畸变及裂纹和副晶粒等缺陷。
为生长红宝石一兰宝石 , 钦金刚石 等 人
造宝石而发展起来的熔焰法已用来生长激光
基质晶体 , 光记录用晶体 ,
。 , 棱镜用双折射晶体 等单晶。 这
个方法的优点是能够用籽晶控制 生 长方位 ,
能制成组分比较均匀的 或带掺杂的 固溶
体 。 但很难避免晶体缺陷多和热畸变大等缺
点 , 并且提高光学质量也很困难 。
另外 , 以材料特性的研究和适用性试验
为主要 目的 , 特别是要想轻而易举地得到单
晶时 , 一直都采用增涡冷却法和溶液法 。 前
者只适用于不分解熔融的材料 , 操作极为简
单 , 但不能控制晶轴方向 , 容易产生副晶等
缺点 。 后者用于生长可分解熔融的化合物 ,
,
固熔体或熔点高的化合物 , 操作极为简单。
优点是晶格畸变少 , 但不可避免 由于熔剂造
成的污染 , 而且因为它不能生长大晶体 , 生
长时间长等缺点 , 故不适于工业生产 , 一般
用于生长固体激光晶体 和空间调制用
的 ‘ 单晶。
目前电光晶体的生长 , 主要是用引上法 。
激光振荡用的 、 , 光 谐波发生用
的 、 , 电 光 调 制 用 的 ,
, 声光偏转用的 、 , 光空
间调制用的 、 。, 光 存 储 月的
、
, 声光调谐滤波用的
等在实用上 占重要地位的单晶材料儿乎全都
采用引上法 。 这一技术是以 、 等 半 导
体工业飞速发展为背景而产生的 , 无论在组
分方面或结构方面都早已把该理论和实验分
析方法应用于复杂的电光晶体上 , 并获得相
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当成功 。
助熔剂提拉法是一种仅次于引上法的方
法 , 也 叫做改进了的引上法和籽晶溶液法 ,
在生长分解熔融化合物和固溶体单晶方面起
了有效的作用 。 最近 二 次 谐 波 发 生 用 的
〕 、 , 光调制用 的 〔‘。 , 、
,
, 激光振荡用的 都是 用这一方法
最早得到的优质晶体 。 此法虽然在装置方面
与引上法类似 , 但生长机理不同 , 故提拉速
度要比引上法低一个量级以上 。
浮区区熔法多用于半导体方面 , 但过去
电光晶体的生长墓本上不用此方法 。 最近 日
本发展 了用光作热源的单晶生长炉 〔艺“ 〕, 成功
地拉出了激光基质晶体 和光调 制用的
, , 等高熔点 氧 化 物 单晶
〔 , , 。 虽然生长的晶体热畸变 大 , 但 在 没有
合适的柑涡场合下及新材料探索的初级阶段
可称为
生长法 。
移动熔剂区熔法是使用熔剂的浮区法 ,
有时是一种非常有效的方法 。 激光用的掺
的 , 光调制用的 , 偏光棱镜 用
的 。 大型优质晶体〔战 , 都是用这种方
法生长的 。
最近 , 电光晶体的研究正在趋向于光集
成回路 。 随着这
‘
一 动向 , 晶体生长方法如表
所列 , 单品膜生长法也在迅速发展 。 可以
预见 , 外延生长法将来可能成为生长电光晶
体的主流 。 但本文不多评论 。
在不久的将来 , 还会有几种可能生长电
光晶体的方法 表内没有列举 。 例如有限定
边送膜生长法 〔 。 这一技术 目前都 以 和
为对象 , 生长出的晶体成带状 或管状 ,
可在短时间内获得组分均匀的蹼状晶体 , 这
一方法可考虑广泛用于新的光学设备元件的
制作 。 最近制作的 , 。蹼状晶体 ,
即是采用此法的尝试 〔川 , 。
如上所述 , 有各种各样的电光晶体 , 也
有各种单晶生长方法 。 但问题是对某种特定
材料来说使用哪种生长方法合适 。 实际上不
仅要从 技术观点出发 , 而且还要考虑
经验 可能利用的情报 、 数据 , 经
济 材料 , 人工 , 资金 , 研制时间 , 晶体处
理和加工 等来选择 〔“幻 。 表 只列 出选择的
结果 , 但不一定是最合适的方法 。 为了使某
种材料生长成完整晶体 , 或者生长成大型晶
体 , 就要了解采用那种方法最适合 , 必须从
一
单晶生长出发作理论和实验研究 。 这是今后
晶体生长学的一个课题 。 第一步 , 应该把上述
多种生长方法用于生长同一材料的单晶 , 然
后比较所得晶体的质量 。 例如 , 对有代表性
的固体激光晶体 试验过几种方 法 提
拉法 年 、 焰熔法 年 、 助熔剂
法 年 、 浮区区熔法 年 、 水热
法 年 、 引下法 年 。 另外 , 对
固溶体电光晶体 试用过助熔剂提 拉法
年 、 引上法 年 、 水热法
年 、 助熔剂法 年 、 籽晶溶液生长法
年 等〔’ , 。
当研究者不属于同一研究单位时 , 试料
的调制及测量方法标准化也就成了问题 。 英
国普莱塞公 司用引上法 、 浮区法 、 熔剂法三
种方法生长了 , 。 。 单晶 , 并对它们
的特性进行了比较 , 得到 了重要的数
据
‘ 艺“ 。 今后进一步积累这样的数据 , 并 根据
这种数据得 出不同生长法生长出的单晶质量
的差别 , 来找出究竟是晶体生长机理上的本
质问题呢 , 还是仅仅 由于各种技术发展水平
差距的问题 , 这一点也很重要 。
不管怎样 , 目前大部分的重要电光晶体
都是利用助熔剂提拉法 , 特别是利用切克劳
斯基法生长的 。 对市售 种材料的单晶生长
法进行了调查 , 其中助熔剂提拉法占 肠 ,
气相生长占 , 低温溶液法 水溶液法 占
帕 , 高温溶液法 助熔剂法 , 籽晶 溶 液法
占 呱 , 固相生长 占 肠 , 水热合成占 肠 亡” , 。
单就电光晶体来讲 , 提拉法占的比例最大 。
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麦 电 光材 料 及 应 用
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提拉法生长电光晶体
提拉法的特点
提拉法又称旋转提拉法 , 它是把垂直轴
方向的 一部分籽晶浸入钳涡熔体中 , 然后边
旋转边提拉的方法 。
提拉法生长装置的外观如图 所示 。 它
由热源 、 增涡 、 旋转提拉机构及温度 、 旋转速
度 、 引上速度 、 、气氛等控制装置组成 。 为调
节固液界面附近的温度梯度都设置有后加热
器和保温筒等 。 加热一般使用导电性增竭高
频感应加热 , 但要得到大型晶体要求缓慢温
度梯度时 , 也可使用电阻加热炉 。 关于热源 、
柑祸 、 后加热器控制结构等装置 上的各种问
题 , 可参考 “ 引上法的理论和实际 ”一文 日
本物理学会晶体工学分科 , 年底讲演会
予稿集 。
下面简单介绍提拉法的特点 。 这个方法
有下述优点
生长单晶与柑涡不接触 , 因此不受
琳祸热收缩等影响
可观察晶体的生长状态
可选择任意生长方向
能在较短时间里得到较大的晶体 。
缺点是
仅限于由熔体直接固化 生 长晶体
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卜卜 二 二, 二了二二少气,‘‘
晶格各向异性大 ,
相变物质多
分 区结构者多 ,
一致熔融成分和化学配比成分 不 一
致者多。
和半导体 、 金属相比 , 生长完整的单晶是
很困难的 。 从有关生长技术来看 , 由于电光
晶体是一种透明而绝缘的材料 , 故其特点是
热导率小 ,
晶体及熔体不能 直 接 用 高 频 感应
加热
热辐射 、 吸收不仅在晶体表面而且在
晶体内部也会产生 。 这样 , 其最佳生长参数
与半导体 、 金属也就大不相同 。
图 拉 晶装 里
一接真空泵 , 一增涡 , 一半透 明二
氧 化硅辐射屏 , 一控制热俩 , 一接旋
转 和 液压 提拉机构 , 一阳极 化 铝 , 丁一
二氧 化硅 一姗硅 酸玻璃 , 一高频 线
圈 一二氧化硅 , 一水冷 软管 。
电光晶体的缺陷
的材料 ,
由于要用增涡 , 所以不可避免从柑
涡棍入杂质 ,
由于受增涡熔点的限制 , 因此能够
生长的晶体有限 。 至今为止所用的是熔点为
℃的铱柑祸 。 用提 拉 法 生 长 , 熔点为
℃的 ‘ 单晶是提拉法 的 最高记
录 〔“ 〕
仅限于蒸气压较低 的 熔 体 材料 。
由于受到在生长 时采用 的 液 封
法的影响 ““ 〕, 同时在电光 晶体上也 正在研究
采用液封法 , 因此这种限制将逐渐减少 。
如前所述 , 用提拉法可得到许多种半 导
体及金属的优质单晶 , 但若用提拉法生长电
光晶体就要考虑到和过去生长半导体及金属
的情况有什么不同 。 首先 , 从材料 方面 看 ,
其特点是
晶格结构 、 材料成分复杂 ,
电光晶体的光学性质受晶体微小缺陷的
影响很大 。 可以说 , 生长优质单晶技术与控
制晶体缺陷技术几乎是同样重要 。
用提拉法生长晶体的缺陷 , 可分为用肉
眼能直接观察到的 宏观缺陷 , 用光 学 显
微镜及光学干涉才能观察到的 半微观缺陷
以及用 劣 线衍射显微法和用电子显微镜才能
观察到的 微观缺陷 等若干类别。 具体分
类如下
宏观缺陷 裂纹 、 气孔 、 副晶粒 、
色心 、 宏观孪晶 、 分凝等 。
半微观缺陷 散射中心 、 杂质 、 微
孪晶 、 微裂纹 、 折射率不均匀 条纹 、 晶核 、
正常凝固 , 宏观镶嵌结构 晶胞结构 、 晶棱
结构 , 系属结构 条纹状副结构 等 。
微观缺陷 位错 、 滑移线 、 小晶面
区 、 积层缺陷、 分畴壁 、 逆相位边界 、 点缺
陷堆等 。 其中 , 某种缺陷对某种特性有显著
的不良影响 。 装置不同 , 对晶体特性的要求
也不同 , 因此 , 必须注意的缺陷种类和缺陷密
度允许范围也不同。 从实用的角度出发晶体
的好坏一律只按缺陷密度的大小而定 , 这是
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不对的。 测试晶体在不同用途中起主要作用
的物理常数或性能指数的值 , 并根据其大小
来判断晶体的好坏 , 这才是正确的 。
但本文不涉及单个器件 , 所谓晶体的好
坏是和只单纯地从结晶学上看它是否接近完
备 , 以及晶体缺陷的多与少意思是一样的 。
从结晶学的观点看 , 晶体好坏的判断方
法与缺陷观测法是一致的 。 举例来说 , 目前
在电光晶体中应用的缺陷测试法 , 如表 所
示 。 表内列入各种测量法检测的缺陷种类 ,
及 晶体内部缺陷 , 晶体表面缺陷 ,
鉴于篇幅所限 , 只概述其中作者亲身实验的
几种检测法 , , , , ,
, , , 。
使晶体与照片干板 同时平行移动 , 对晶
体的大面积边扫描边摄下透过 光线的衍射
象 , 这是微观缺陷观测法最标准的方法
· 。〕。 分辨率为数微米 , 对位错 密 度 在 叮
厘米“ 以下的晶体 , 能够区别观 察 一条条的
位错 , 但缺点是对 毫米宽的扫 描 时 间 要
小时 , 以及晶体越厚反差越坏 。
把完全平行的单色 二 光照射晶体 , 根据
满足布拉格条件的反射曲线半宽度来判断晶
格畸变的观测法 , 是美国晶体厂家推荐
的最实用的一种方法‘“ ’〕。 这一方 法 精 度很
高 , 而且只要是完备晶体 , 那怕是几秒左右的
同步曲线半宽度也能立刻把极小的畸变扩展
足够数量 。 据说 , 可测
一 “ 弧度左右的晶格
面倾斜 , 以及 品格常数为
“ ”一
一 ’左右的
局部变化 , 但装置调整相当复杂 。
以菊池线消失情况作为晶体不完整性标
准的方法 “幻 , 从原理上来讲有的 是很理
想的 , 但困难是试料准备及装置调整很费事 ,
而且只能观测较浅的表面层和窄的区域 。
腐蚀法 使用简单 , 精度相当高 ,
能得到位错 、 小倾角分界 、 杂质堆垛等数据 ,
尽管缺点是 寻找适 当腐蚀液很难 , 只是在
位错线近于垂直表面时才出现 明 显 的 腐蚀
坑 。 但一旦腐蚀坑和晶体缺陷完全对应 , 以
后利用此法就能很容易地迅速估计出晶体缺
陷的密度 〔’ 〕。
台曼一格林干涉法 是广泛用 于 检
查电光晶体的最标准方法 〔 ”, 。 调整好台曼
格林干涉仪的视场 , 使其亮度与除去晶体时
相同 , 根据插入晶体后产生的条纹数 , 求得
折射率的不均匀度 , 但实际上由于试样平面
度及平行度不好 , 因此和光路差的分离很困
难 。 为使这一测量法有效 , 研磨加工平行晶
体板需要相当的工夫和时间 , 而且在防震上
相当费脑筋 , 作为实用的检 查 方 法 有许多
困难 。
与此相比 , 下述儿种方法要好些 阴影
投影法 —把晶体的阴影投影到整个荧
光屏上来寻找晶体缺 陷〔 弓〕 激 光 微 探 针法
—根据通过约 微 米 直 径 光孔的。一 。·激光的衍射图的散射来判断光散射中
心密度的大小 〔 〕, 透光 测 绘 法 —利
用激光扫描制出晶体全图 , 消光 比 测 量 法
—按消光比的分布检测局部畸变
, 这
些方法对晶体加工都不太费事而易于得到晶
体 内部的数据 。
一般而言 , 表 的光学方法对透明电光
晶体比较适合 , 但几乎得不到微观缺陷的数
据 。 对受微观缺陷影响的电光器件 , 例如利
用强性介质强弹性体 自发普克尔效应的光开
关器及光空间调制器等 , 要同时使用光学法
和 光法 。 另外 , 有一种在非线性光学范围
内 , 测定相位匹配温度半宽度的方法可以作
为判断晶体折射率均匀性的最好方 法‘昌‘’。 但
由于它缺乏通用性故未列入表 。
光学均匀性
在左右电光晶体质量的因素中 , 折射率
均匀性与光吸收 、 光损耗并驾齐驱 也是非
常重要的 。 即使所需要的常数很人 , 但若光
学均匀性不好 , 器件仍得不到预期特住 。
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面简单介绍器件所需的光学均匀性。
现在设想 由于正常凝固等情况 , 自然双
折射 为一次梯度分布的电光 调 制 晶 体 长
。 使光束半径 。的高斯分布激光 波长 入
射入此晶体时它的 消 光 比 可 由 下 式得
出〔“ 〕。
表 晶体缺陷观测法 表面 , 体内
观 测 方 法
射线法
伯格一 巴笛特法
《 兰 氏法
博受法
双 晶光谱法
二 次反射积 分强度法
位错 , 小 角度 , 晶界 , 堆垛层错 , 叻
位错 , 堆垛层错 , 孪晶聆
杂 质沉淀 , 位错
晶格 曲折 , 位错密度
晶格畸变 , 位错密度
电于 束法
电子束衍射法
透 时电 子显徽法
迭栅条纹 法
电子探针 测量
法
品格畸变
位错 , 堆垛层错 , 略 , 逆 相品界
位错
杂质 沉淀物 , 条纹
化 学法 腐蚀法
辍饰法
位错 , 杂质 团 , 淆 移带 , 小 角度 品界叻
位错
一
谁一协﹄
光学法
阴影 投影法
台硬一格林千 涉法
双折射测试法
“ 光散射法
场 激光微 探针法
激光 光斑 测量 法
透 光 测绘 法
消光 比 测盆法
“ 相位 匹配 测温 法
宏观 缺陷 , 散射中心 , 微裂纹
光学 不均匀性
光学不均匀性
散射中心 , 小角度 洁界 , 杂质沉 淀
散射中心
散射中心
光吸 收 , 光散 时
光学不 均 匀性 , 小角度 份界
光 学不 均匀性
位错密度
色心
复合中心
复合中心
核磁共振法
电子 自旋共振法
载流子复合速率法
软流子扩散长度法
八 一
一 阴么 孟
。 司 入
·
, 一 , 。 助
截面内折射梯度相同时 , 相位匹配温度的二
次谐波输出功率 尸加 可用 式 表示 ‘ 幻 。
尸“。 一 凡” 兀 · 。 一 、
护、中式
因此 , 消光比 可 表 示 为 自 然 双 折 射的
函数 。
在 。二 毫米 入一 微米
厘米时 , 若要得到消光比 一 功“ 的 折 射率
梯度 由式 、 、 求得 , 则
,
, 一 。 ‘ 厘米
只要考虑到市 售 。 为 厘
米 , 则可知要求是相当严格的 。
另外 , 在非线性光学晶体内 , 入射光束
· “ 么、
式中 一 常数
一 久。 二 。
· 。孟‘”
所以 , 输出功率 尸 “
有关 。
一 。 二
与 自然双折射梯度
的度梯在
。二 毫米 , 凡
, 一 微米 ,
厘米时 , 若把 尸加 看成恒定 , 双折到
限度为
” 。愁“ 一 言 。 ’ 厘米
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以上所述 , 是设想正常凝固条件下折射
率梯度相同的情况 , 但折射率有条纹状变化
时 , 当然消光比 与高次谐波输出 尸加 也就
降低 。 例如 , 史密斯比在折射率变化为振幅
’名正弦波时 , 与没有条纹时相比 , 二
次谐波输出减少 飞 。 上面讲述的是由电光
调制用晶体和高次谐波发生用晶体 , 一 般实
用装置所用电光晶体的允许 折 射 率 梯度为
一丫厘米。 局部折射率变化可为 一 左右。
相应于 一 ”折射率变化的熔体温度 的变化到
什么程度 , 在晶体生长技术上是很重要的 。
由非一致熔融组分的熔体生长晶体时 ,
由熔体温度变化引起的晶体双折射的变化
△动 表示如下 。
八 八 ,
,
品 体 组 分 ,
一仪嘴厂一化幻一‘仃一‘一一一一
式中 气 有效分配系数 , ,
引 温度 。
据说 , 就 。 的化学配比而言 , 把
式 各项实测值代入可得出厂‘。’
八
’
“ “
此值表示使折 射 率 变 成 各 八 控 制在 乙
八动簇 一 ”范围 , 熔体温度起 伏 乙 必 须控
制在 乙 范围内。
获得优质晶体的方法
为确定优质晶体生长条件的系统方法现
归纳成程序图如图 。 主要方法简述如下 。
相图制作
相图可称为晶体生长的指南针 。 通过相
图可得到是否一致熔融 , 是否具有固溶区 ,
有没有相移等基本情况 。 过去关于相图的研
究成果 , 都汇编在例如美国陶瓷学会编辑的
, ”
等书中。 在生长对象是已知物质时 ,
虽有很大的参考价值 , 但具体问题还很多 ,
往往需要自己进行修正 。 虽说制作正确的相
图需要花费很大的气力和时间 , 但可以相信
这样做能得到有用的数据。 在 “相图和一致
熔融组分 ” 一节将介绍可从相图 中 得 到 的
数据 。
基础数据的积累
晶体生长现象 , 原理上可以看成是热迁
移现象和物质迁移现象的还原 。 因此 , 为了
理解 、 控制晶体生长过程 , 积累有关热迁移及
物质迁移的各种基础数据是非常重要的 。 兹
列举主要项 目如下
晶体中、 晶体四周 、 熔体中的温度
分布
只要基本上知道界面附近的温度分布就
可以解析热的迁移 。 另外 , 造成裂纹和位错
等的主要原因之一的热畸变 , 取决于温度梯
度 , 温度分布是最重要数据 。 要测量温度分
布 , 是在晶体生长时把很细的热电偶埋进晶
体中 , 这需要很高的技术水平 。
熔体中及环境气氛中的温度波动
有有 关舀妹生丧丧
奎奎本毅拢似似
袋袋袭毅毅毅 豁概概概概概概概 晶榭
二二二二二二 蛛时砧 和和
去去去去去去去去去去去去去去去去象击击
电电乞裸许定定定定定定定定定
盆盆盆盆盆盆盆盆盆魂瓣鹅畴畴
‘‘叶叶
上 必 吞 妞 二古古古古古古古古古
沁沁沁争峨贾渗节毛毛
田 用特定材料生 长的 姑体鼓 住条件系统流程
固液界面的温度波动是造
成晶体光学缺陷条纹 、 晶体直
径不稳定的重要原因 , 但这个
波动是 由熔体或者环境气氛周
期性 , 或非周期性的流动所引
起的 。 换句话说 , 就是界面温度
的波动是由熔体的温度波动或
者环境气氛的温度波动所传播
的 。 因此 , 正确的掌握熔体中
及环境气氛中的温度分布 由
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钳竭温度 、 后加热器 、 保温筒 、 增竭内壁的
高度 、 热反射板等决定的 和熔体中以及环
境气氛中的温度波动的相关关系 , 在生长技
术 上是很重要的 。
固液界面的形状
最近认识到了固液界面形状的重要性 。
若能知道界面形状就可单独确定晶体中的温
度分布而不管熔体状态如何 。 另外 , 由于裂
纹 、 气泡 、 小晶面形成的晶核 、 位错等晶体
缺陷与界面形状有关 。 所以要预先了解品体
转速 、 长度、 直径 、 引上速度 、 熔体周围的
热释放条件等要素对界面状态的影响 。
生长速度的各向异性
由于晶体外形不稳定 , 小晶面造成的品
核 、 条纹 、 微晶粒生长而形成的人字结构等
问题与生长速度的各向异性有关 。 得知哪一
方向生长速度快 , 哪种晶面容易出现 , 即可
选择不易产生上述缺陷的轴向 , 因此生长各
向异性是很重要的 。
晶体的物性
分析热迁移现象时 , 热传导率 、 比热 、
辐射率 、 密度 、 毕奥数等是必要的常数 。 另
外 , 在考查造成晶体缺陷的机理时 , 要采用
热膨涨系数 、 解理性 、 杨氏模量 、 破坏强度
等数据 。 此外 , 固化时体膨胀的测量数据是
解决柑涡破坏问题的重要数据 。
熔体的物理性能
为了理解包含熔体中的热对流 、 强制对
流在内的熔体热迁移现象 , 需要密度 、 热导
率 、 比热 、 晶体化的潜热 、 热膨胀系数 、 粘
性系数等有关数据 。 此外 , 界面的骤冷程度
也是分析生长机理时 , 必须测定的项 目之一 。
调整生长材料
作为电光晶体来说 , 使用的生长材料即
使稍微偏离所需组分 , 也常常会引起致命的
光学缺陷。 市售药品 , 如金属氧化物 , 都混
有氢氧化合物 、 碳酸盐等 。 一般也都吸附相
当量的 , , 不管怎样精确地称量 ,
都可能产生组分偏差 , 所 以不可忽视化学原
料的预处理工作 。 虽然原理上说由于它们最
终是熔融体也可省略合成 , 而按预定比例称
量的原料粉末放进坳涡 , 进行熔融 。 但若组
成原料的蒸气压差很大就将造成熔体的组分
偏离 。 因此通常采用固相反应合成化合物 。
但重要的是必须注意使之充分混合。 最后为
了提高体积比 , 要烧结后放入增涡 。 在各个
工序里 都要精心管理 , 防止材料污染 。 总之 ,
利用 射线进行测定认真分析杂质 , 都是确
定重复生长条件的捷径 。
单晶的生
·
长
根据 “ 相图制作 ” 和 “生长机理 ” 两节所得
数据 , 可一次决定 晶体生长速度 ,
晶体转速 , 增涡温度 , 温度梯度 ,
冷却速度 , 环境气氛等各种生长
参数 。 并把这些条件用到拉晶实验上 。 即使
在生长实验中 , 一 、 、 、 、
的参数也是可变的 。 然而 则是只
有在装置安装时才能改变的参数 。
观察宏观缺陷
对已生长成的晶体细致地观察 、 记录其
裂纹 、 气泡 、 副晶粒 、 颜色 、 微小孪晶 、 分
凝等现象。
单畴化操作
在所要求的单晶是强介质材料或强弹性
材料时 , 多采用多畴结构。 畴界就是面状缺
陷 , 由于它的存在就不可能
光学质量 。
因此 , 对强介质材料要加电压 , 对强弹性材
料 , 要附加应力 , 使之单畴化 。 关于强介质
材料的温度 、 电压条件、 电极 、 环境媒质的
选择及畴的观测法等过去研究情况及展望将
在下文作介绍 。
晶体的精密加工 〔, ‘
、‘ , 〕
在鉴定单畴化晶休的光学质量之前 , 要
进行晶体切割 、 研磨 、 抛光等精加工 。 为了
用台受一格林干涉 计测量折射率的不 均匀 分
布 , 要求加工精度为 平 行 度 ,, , 平 面 度
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入 以下 , 这个精度不是外行人 所能 容易
达到的 。 再加上加工光弹性效应 大的 晶体 、
易脆的晶体 、 解理性好的晶体时 , 在切割及
为了定间距 、 定平行度而进行的粗磨操作中
⋯⋯切忌造成弹性畸变 、 裂纹 、 位错等缺陷。
掌握变形小的加工技术及消除加工变形的技
术也是鉴定者的职责 。 一般来讲 , 线切割是
一种加工畸变小的切割方法 , 另外 , 据说如
果采用把化学腐蚀和机械加工结合起来的机
械化学研磨法差不多能做到 基 本 上 没有加
工层 。
光学质量的鉴定
采用晶疵强的 自然面非 常 发 达 的晶体
时 , 可利用其 自然面 , 如无 自然面 , 要切割
研磨成平行面而后再测量 透射率 ,
消光比 , 光散射 , 折射率的不均匀
分布 条纹 、 晶核 、 正规凝固 、 晶胞 结 构 ,
等项 目 , 并记录其结果 。 测量方法如 “ 电光
晶体的缺陷 ” 一节所述 。
微观缺陷检查
经过光学质量鉴定的晶体样品 , 适当地
用化学腐蚀法与 线衍射 显 微法 〔昌。〕来测量
位错密度 、 位错分布、 小晶面区 、 层积缺陷
等项 目并记录结果 。
电性能的鉴定
对于适用畴壁迁移原理的器件 自发普
克尔效应型光阑 、 光空 间调制器等 的晶体 ,
应测量并记录开关时间 、 开关电场闭值 、 畴
迁移率 、 固有电阻 、 耐压等项 目。 对一般 电
光晶体可不做鉴定 。
生长条件的精选
把宏观 、 光学 、 微观 、 电性能的鉴定结
果用来生长单晶 , 并逐渐改变单晶生 长的生
长参数 , 探求减少晶体缺陷的方向。 经过生
长 —鉴定 —生长的几个反复
, 就可逐渐
达到最佳条件 , 最后确定生长高效率 、 优质 、
大块晶体的生长条件 。 本文后面将介绍消除
晶体缺陷的方法 。
相圈和一致熔胜组分
从相图得到的数据
从相图研究中可得到晶体生长的资料是
很多的 , 现试举几例 。 现在考虑成分 和
系统中存在着所需要的化合物 的情况 。
首先 , 可知道 是否是一致 熔 融
这里指 是经加热熔化后 , 再次冷却固化分
凝出的晶体的情况 , 若是一致熔融 , 熔点在
℃以下 , 则理论上可用提拉法 。 若不是
一致熔融则只好用 法 。
判断一致熔融点附近的熔相 线 倾
斜大小 。 倾斜小时 , 在一定温度下可生长出
常规晶体 。 但若倾斜大 , 就可认为在一定温
度下生长常规晶体困难 。
判断 的附近是否存在固熔区 。 若
有固熔区 , 那么生长均匀晶体是相当困难的 。
必须严格控制温度波动及成分 , 并且从大最
的熔体中只能得到少量的晶体 。 若没有固熔
区 , 即使不很注意温度波动及组分变化也可
能长出均质晶体 。
在成分 且和 系统中 , 是否存在接
近 的 、 化合物。 在温度有变化或组 分
偏离时 , 、 石 就是析出的杂质 。
判断化合物 在从熔融温度 到 室
温这一段时间是否发生相移 。 若有相移时 在
相移温度附近容易造成裂纹及散射中心 , 因
此 , 要慎重选择冷却条件。
判断化合物 的熔点。 若熔点低 ,
柑涡材料是可选择的 。 另外 , 还可根据熔点
与最佳生长速度的比值经验 , 找出生长速度
的方位 。
现以作者 制作的 厂 系 统 的
相图 为例来说明〔咭“ 〕。
关于 , 化合 物 。
· 。 分
‘ 是按化学配比组成的一致 熔 融 。 所
以可用提拉法生长单晶 。
关于 ,
· 。的 。一侧
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‘三
占口乞乞
解解 湘湘
呀‘马
犷 。 系统相平衡图
︸一二,乌
比‘仆七七’图州叫叻沙,州仁幻片六粼鲜
夕勺啊挽
的液相线倾斜比较小 。 实际上如图 所示 ,
在柑塌温度及生长速度一定的条件下 , 可拉
出等径 直径 英寸 的大晶体 长 英寸 。
关于 , 经详细调查 , ·
组分附近没有固液区 。 因此估计容易得到光
学均匀性好的晶体 。 实际上已能生长出透射
率约 肠 , 消光比 沪 , 重复性好的高质量
晶体 。
关于 , 在 一 。系统中 , 有两
种 以外的化合物 ,
·
和 。 · 。 把它们分解熔融 。 在引上
速度大时或转速小时所看到条状或人字状的
析出物即 · 。 产生析出物的原 因
估计就是 由于 被蒸发 , 同时熔融成分
变为富有的 的原故 。
关于 , 的 相 移 点 在
℃, 由日相 正方 全‘ 移到 相 单斜 全 ,
但转移速度缓慢 。 而且 , 在 时 , 热力学
亚稳定的 相 , 相变成高介电强弹性的 日相
斜方 母, , 但实际上重要的 日相在热力学
也是亚稳定相 。 可是在室温下 团 , 的相移
需要很长的时间 年 , 实际上 日 相可
看作是稳定的〔‘“ , 。 ‘ 。所特有的散
射中心及籽晶的脆弱化也都是 由于 日 相
移所产生 相析出的原 因〔 。 另外 , 在低温
情况下 , 屡次发生的裂纹也都起 因 于 一团
转移 〔 〕。
关于 ,
· 。 的 熔 点 是
℃。 在这个温度下用铂或铱增涡均可 ,
因环境气氛选择了大气 , 所以选用铂柑涡 。
根 居经验预定引上速度为 一 奄米 小时 , 但
确定的最佳生长速度为 一 。奄米 , 卜时 , 比预
定稍高些 。
一 致熔融组分
电光晶体大部分是属于两种成分系统或
多种成分系统 , 多数具有很宽的固熔区 。 另
外 , 象固体激光晶体及光存储用晶体等 , 需
要 掺 杂的晶体 , 也看作为固熔体系。 例如 ,
, 及 , , ,
。 是完全固熔体系或接近完 全 固 熔 体
系 , 另外 , , , 。,
。 等重要的氧化物晶体在化学配
比附近都有部分的固熔体系。 因为存在着固
熔区 , 这些有用的晶体完全受到生长中温度
变动或机械振动的影响 , 容易产生不均匀晶
体 。
用图 的相图及图 的界面附近组分分
布图简单说明其影响情况 。 晶体组分比 , 和
熔体中的组分比 之 比叫做分配系数 。 在生
长速度 时 , 叫做平衡分配系数 , 定
义为
。 , , 二
相图上 , 温度 一定的线是固相线和
液晶线交叉点的组分比 。
’
下
窦”件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件
一夕行洲 ‘绷
召召召召一一 一 一 一 门门
一一一
一一一一一
肠幼 ‘如
食民才分
图 固溶体的扣图 示意图
在 等 的时候 , 叫做有效分配系数 气
如图 所示 , 因为在界面上异常大的组分比
在距离 乙之间的扩散而变小 , 剩余部分通过
搅拌熔体可混合均匀 , 所以有效分配系数可
由式 得出〔冶 , 。
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‘ 一下 ,
零 、、、
畏 “。一 一 飞之“片一 蟋液
乙
口
图 固液界 面 附近 的组 分分布
二 今
。 一 。 一 乙
式中的 各值由熔体的搅拌条件所决定 , 取决
于熔体流动状态 , 是扩散系数 。
图 中 , 若将组分 。 的熔体冷却 , 在温
度 , 时 , 有组分 , 的晶体析出。 若温度继
续下降到 时 , 析出的晶体组分连续变化至
。 引上速度 气 时 , 在整个 二 的位置的
晶体组分由下式表示
, 。 一 介一‘
这就等于在同一晶体内有组分分布 —
折射率分布 。 因此 , 有固溶区的晶体要得到
质量均匀的大晶体是困难的 。
在晶体生长过程中 , 若熔体温度波动 , 或
者旋转引 机构有机械变动的话 , 那么生长
速度 就产生变化 , 因此 , 有效分配系数
也根据式 发生变化 。 所以晶体的组分
, 也变化 , 晶体中的折射率也随之 变 得 不
均匀。
那么 , 如果有固熔区 , 是不是部分组分
变动是不可避免的呢 回答是否定的 。 例如
象图 。 所示那样 , 熔融时 如果从没有产
生分解的一致熔融组分的熔体来看 , 因实效
分配系数 , 所以即使有稍许的温度变
化或机械变动也能拉出组分均匀的单晶。 如
前所述 , 对有折射率变动 一‘的电光晶体来
说 , 根据这一理由必须按照一致熔融组分生
长单晶 。 近来对一致熔融组分正在进行详细
研究 。 关于这方面的情况请参阅资料 〕。 到
现在为止 , 能用一致熔融组分来确定的主要
电光晶体有 , , , 。 ,
, 。。 但搞清这些晶体及 为什么
一致熔融组分会偏离化学配比是今后电光晶
体物性论上的一大课题 。
这些物质的一致熔融组分见表 。 以下
一一简单说明。
, 的化学组分附近 存在
着相当宽的固熔区〔‘ ”, 化学配比组分的材料
不是一致熔融的最早报告 参照图 。 此
后 , 资料〔 〕及资料〔 的作者在贝尔试验
室集中研究 , 确定的组 分 是
肠 。 资料 〔 〕报告说 , 由这个组
分的熔体所生长出的单晶长约 厘米 , 质量
良好 , 整个晶体的双折射变化量为 ’气
另外 , 杉并等 利用 “ 射线分析法进
行研究 , 得出一致熔融组分的晶体比化学配
比组分的晶体更加接近完整晶格排列 。
表 几种 电光材料的一 致熔融组分
西。 体 致 。 。 组 · ⋯ , 告
‘ 。‘
, £汝罗蒜 ”
“。” ⋯然 攫罗 认器
透 · 。
透 ·
· · 。
飞 ,
· · 入 、
。 · 企
一 透 ·‘。 。 士
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宫泽研究小组于 年 决 定
了这种很有希望作为光通信用调制晶体的物
质的相关关系〔”。。 他们利用居里温 度 与 组
分 的 关 系 确 定 一 致 熔 融 组 分 是
肠 图 用这一组
分的熔体控制的单晶光学均匀性好 。 已有报
告说 , 用 小 毫米的光束测量的 消 光 比 是
呱 。
对可望具有最高的非线性光学常
数 、 光损耗少的 来说 , 由于由三种 氧
化物组成 , 所以与 及 。相比 ,
确定一致熔融组分是极为困难的 。 据报告说
有两个对立的组分 。 即资料 〔 〕所述 , 一致
熔融组 分 为 ‘ 。 , , ,
特点是 。 小于 肠 克分子 。 对此资料
〔 〕报告说 , , 。 ,
。 大于 肠 克分子 。 图 是资料
〔 〕的相图 , 图中的斜线部分 中存在着一致
熔融组分 , 据说用这种组分的熔体生长的单
晶没有条纹 。 最近 资料〔 〕作者再
一次验证了这一系统的一致熔融组分 , 得 出
, , 。三 , 巧 。
二 一 。 是现有物 质
中以热电系数 、 线性电光系数最大 特别是
而著称的晶体 。 不论作为非线性光
学晶体还是作为声光晶体 , 都显示了 级特
性 , 而且作为可逆光记录媒介质也具有划时
代的性能 , 因此引起人们的关注 。
方男目场 ,
二犷黔 口一
民盯卜伍
丽称队化
书龙 川与马
田 视酸钡的固相等温线
化学出妞份
︵幼僻妙甲﹄侧喊
口
几 』今
‘了, 飞
二 硫好殉
,
图 在 。附近 一 。
系统的试验相关系
的一致熔融组分的情况与 相
似 。 根据资料〔 〕得知 , ,
·
, , 。“
是三元系的一致熔融组分 。 但即使
采用这一组分比生长单晶 , 仍不能消除条纹 ,
所以作者〔“的采用 融点极大的组分
谋求过冷最大组分的热分析法〔叫 湿
式无机分析 , 荧光 ‘ 射线分析等 化 学
分析方法〔 , , 介电常数最大的 温 度
热电常数最大温度 研究晶格常
数与组分的关系等物理分析法 〔”“ 〕〔 “ 〕, 来求
得一致熔融组分 。 得出的组分是 , ,
。 , , , 。 小 于
克分子 。 图 表示是利用荧光 二 射线
分析法所得的初晶和剩余熔体组分的 关 系 。
图 表示资料〔 〕报告的数值和作者所确定
组分的三元系相图上的差异 。
用圆偏振镜检测由作者等配制的熔体拉
出的单晶测不到条纹 , 用台曼一格林干涉仪测
定的双折射变动 一 。 这种没有条纹的 晶
体用作电光调制元件时 , 消光比为 肠 。 此
结果可满足要求 。
这一研究的详细情况请参见应 用物理学
会晶体工学分科会 年夏季讲演会 预 稿
集 “化合物结晶 久 卜 才 牛 才 , 卜 一 ” 一文 。
资料 〔 〕报告了 在 其 它 的
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, 中也采用了一致熔融 组分 ,
得到了光学性能好的晶体。
以 刃 日。
义义义
品体的透射率图 。 表面透射率通过整个晶体
很不均匀 , 而且其平均值低到大约 肠 。 把
这个晶体插在透明导电膜电极之间 , 在硅油
中外加直流电场后的透射率图发 生 变 化 如
, 在表面透射率大约为 肠 表面反射率
经修正后可达 即 肠 时 , 差不多整个是均匀
的 。 另外 , 同一晶体在单畴化处理之前的激
光衍射图如图 所示 。 在 方向和
。 方向可观察到很强的光散射 。 单畴化处
理后的衍射图见 。 其变化很大 , 得知这
种晶体在分畴界限以