一种硝酸钠单晶的提拉法生长工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硝酸钠晶体的提拉法生长工艺，尤其是涉及一种光学组件用硝酸钠晶体的提拉法生长工艺，属于晶体生长技术领域。
【背景技术】
[0002]硝酸钠单晶(NaNO3)属六方晶系，空间群R3c_，密度2.26g/cm3，熔点306.8°C，易潮解，易溶于水和液氨，微溶于乙醇、甘油和丙酮。具有大双折射率的负单轴晶体，光学均匀性好，透光范围在0.2?2 μπι之间，可应用于光隔离器、光环形器、光束位移器和各种光学偏振棱镜。硝酸钠的双折射率比方解石大，有利于简化器件结构，并且成本低廉，透光率高，比方解石更适合应用于各种偏振器件。
[0003]硝酸钠单晶的制备难点在于(I)原料易潮解，在结晶过程容易产生气泡；(2)在275°C存在反常相变点，在380°C存在分解点，对温场和生长工艺控制要求较高；(3)晶体易开裂，难以得到大尺寸完整单晶。目前，有关硝酸钠单晶的生长技术的报道还很少，得到晶体在完整性、纯度和结晶程度上不够理想。例如，中国专利CN 101892514A公开一种硝酸钠单晶的坩祸下降法生长工艺，生长出了硝酸钠单晶，但是该工艺生长周期较长，所制备的晶体容易开裂，而且结晶度较低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种提拉法生长硝酸钠单晶的工艺，以克服现有技术的不足。
[0005]在此，本发明提供一种硝酸钠单晶的提拉法生长工艺，包括以下步骤:
1)将原料硝酸钠于100?200°C烘干2?5小时后，装入坩祸中；
2)将装料后的坩祸置于提拉炉中，经2?5小时(优选为3?5小时)将炉温升至350?450°C，并保温I?2h，使坩祸中的硝酸钠原料全部熔化。缓慢降低加热功率，当控制炉温为250?350°C时，将籽晶浸到熔体中，旋转籽晶并向上提拉，开始晶体生长，提拉速率为1.0?10mm/h，旋转速率为10?20r/min，固液界面的温度梯度为10?30°C /cm ;根据晶体生长趋势，微量调整加热功率，完成放肩和等径过程，生长完毕，提出晶体使之脱离熔体，以20?50°C /h的降温速率使炉体冷却至室温并取出晶体。
[0006]本发明通过提拉法生长出硝酸钠单晶，其生长温场稳定、晶体径向温梯小，因此晶体的热应力小，可减少晶体开裂。此外，本发明的方法生长工艺简单，可进行硝酸钠晶体的定向生长。因此使用本发明生长硝酸钠单晶可实现成品率高、晶体性能一致、工艺简单方便、成本低，适用于生长光学偏振器件所需各种尺寸的硝酸钠单晶。
[0007]较佳地，所述原料硝酸钠的纯度彡99.99%。通过选用高纯度的原料硝酸钠，可以提高生长出的晶体的纯度。
[0008]较佳地，所述坩祸为铂金坩祸、石英坩祸。
[0009]较佳地，所述籽晶的截面边长为3?10mm，长度为30?100mm。本发明可以采用尺寸较小的籽晶进行晶体定向生长。
[0010]较佳地，所述籽晶的取向为〈001>，〈 110>，或〈100〉，或者未定向。
[0011 ] 较佳地，所述提拉炉以硅碳棒或硅钼棒为发热体。借助于此，该提拉炉的生长温场稳定、晶体径向温梯小，因此晶体的热应力小，可减少晶体开裂。
[0012]较佳地，所述发热体能够发光。借助于此，可以方便地观察低温晶体的生长状况。
[0013]较佳地，将提拉所得的硝酸钠晶体在100?200°C空气气氛下退火处理10?24小时。通过进行退火处理，可以充分消除晶体内的应力，减少晶体开裂。经退火后的硝酸钠单晶即可用于机械加工。
[0014]本发明所述的提拉法生长工艺简单，可采用尺寸较小的晶种进行晶体定向生长，其温场稳定，径向温梯小，晶体在熔体表面处生长，而不与坩祸相接触，可明显减少晶体开裂和晶体污染。晶体生长过程中，硅碳棒或硅钼棒发热发光，可以方便地观察低温晶体的生长状况。
【附图说明】
[0015]图1为提拉法晶体生长设备结构示意图；
图中:I籽晶杆，2晶体，3铂金坩祸，4发热体，5保温材料，6观察孔，7热电偶；
图2为生长得到的硝酸钠晶体图片，晶体尺寸为Φ20Χ 10_3。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0017]本发明的硝酸钠单晶提拉法生长工艺包括:原料预处理、坩祸制备、生长设备、晶体生长和晶体后处理。具体方法如下。
[0018]—、原料预处理
采用光谱纯硝酸钠(彡99.99% )为原料，经100?200°C焙烧2?5小时除水后，在干燥箱中进行装料。通过采用光谱纯硝酸钠为原料，可以得到高纯度的硝酸钠晶体。而且，对原料硝酸钠进行除水处理，可以防止在结晶过程中产生气泡，从而提高晶体的质量。
[0019]二、坩祸制备
本发明的坩祸可使用铂金坩祸、石英坩祸。坩祸的壁厚可为I?3_，坩祸的形状和大小可以根据需要预定生长晶体的形状和大小确定。在一个示例中，选用铂金作为生长晶体的坩祸材料，首先金属铂经熔炼提纯和熔化后，使用相应磨具加工而成圆柱状平底坩祸，坩祸壁厚度为2.0mm,樹祸尺寸一般为Φ 50 X 60mm3，樹祸可多次使用。
[0020]二、轩晶制备
选用硝酸钠单晶体作为籽晶。本发明中，可以选用尺寸较小的籽晶，例如，籽晶截面边长一般为3?10mm，长度一般为30?100mm。籽晶取向一般为〈001〉，〈110〉，或〈100〉，或者未定向。
[0021]四、生长设备
图1示出提拉法晶体生长设备结构示意图。如图1所示，在该提拉法晶体生长设备(晶体生长炉)中，在中心放置用于容纳熔体的坩祸3。在坩祸上方设置有籽晶杆1，在籽晶杆I下端夹持籽晶，籽晶位于坩祸3内，用于提拉晶体生长，在晶体生长时，在熔体表面处生长出晶体2。籽晶杆I的上端与电机(未图示)相连，以带动籽晶杆I旋转并提供向上的提拉。在坩祸3周围设置有保温材料5，在保温材料5内侧设置有发热体4，发热体4和保温材料5 —起构筑温场。在保温材料中插设有热电偶7，以监控炉膛温度从而监控晶体生长。在炉体上方设置有观察孔6，以监控晶体生长。晶体生长炉的内衬和保温材料5可以使用氧化铝轻质砖和硅酸铝纤维。发热体可为硅碳棒或硅钼棒，例如由六根硅钼棒组成。这样，可以使生长温场稳定、晶体径向温梯小，因此晶体的热应力小，可减少晶体开裂。热电偶7可使用铂铑10-铂热电偶。采用铂铑10-铂热电偶通过JWT-702精密控制仪(未图示)控制炉子温度，以及用铂铑热电偶监控晶体生长。
[0022]五、晶体生长
将处理后的原料装入铂金坩祸中，将坩祸置入炉内，经3?5小时将炉温升至350?400°C，然后保温I?2小时，使坩祸内的原料完全熔化。缓慢降低加热功率，逐渐摇下籽晶杆，将籽晶置于距离熔体表面约5?1mm处，使籽晶预热。调节炉温，当控制炉温为250?350°C时，将籽晶浸入液面，旋转籽晶并向上提拉，开始晶体生长，提拉速率为1.0?1mm/h(优选为1.0?5mm/h)，转速为10?20r/min，生长界面温度梯度为10?30 °C /cm。同时缓慢调整加热功率，完成放肩和等径过程之后，提出晶体使之脱离熔体。以20?50°C /h的降温速率使炉体冷却至室温并取出晶体。炉体自然冷却至室温，取出晶体，获得无色硝酸钠单晶。
[0023]六、晶体后处理
为了充分消除晶体内的应力，减少晶体开裂，将晶体在100?200 °C空气气氛中退火10?24小时，经退火后的硝酸钠单晶即可用于机械加工。
[0024]本发明以光谱纯硝酸钠(彡99.99% )为原料，以铂金坩祸生长硝酸钠