单晶的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种晶体材料的制备方法，特别是涉及一种同时具有磁性和铁电性的晶体材料的制备方法，应用于传感器或声波换能器等器件的特种磁电功能材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，多铁性材料与铁电材料在现代科技中得到了广泛的应用。铁磁材料(ferromagnetics)具有自发磁矩，且其可以随外加磁场变化而翻转，实现开关功能，从而实现信息存储。现代电子产业，包括计算机等，广泛使用磁存储技术。铁电材料具有自发电极化，这一电极化可以随外加电场变化而翻转，实现开关功能。很多铁电体同时也是铁弹体(ferroelastics)，其电极化的改变通常伴随着形状或晶格常数的变化，因此被广泛用于传感器或声波换能器等方面。更进一步，与目前广泛应用的存储器相比，基于铁电材料的铁电随机读取存储器(ferroelectric random access memory, FeRAM)具有非挥发性和读取速度快等优点，因而具有巨大应用前景。随着科学技术的进步，对器件小型化的要求越来越高，这就需要发展同时具有两种或两种以上功能的新材料，以研制能同时实现多种功能的新型器件。由于各种物理效应共存于一个体系，它们之间不可避免地将发生互相作用，从而可能实现不同功能间的互相调控，为发展新的多功能器件提供机会。考虑到磁性和铁电性在现代科技中的广泛应用，人们自然想到能否将磁性和铁电性结合在一起，获得同时具有磁性和铁电性的材料，有可能突破目前自旋电子学的瓶颈——自旋状态的读取与控制，有望以此为基础发展新的原型器件。多铁性可能应用的一个最突出实例是:磁记录读取速度快而写入慢，铁电记录读取复杂而写入快；如果使用多铁性体为记录介质，就可能同时实现超高速率的读写过程。
[0003]2015年南京大学Y.Fang等人首次报道了 Mn4Nb209多晶奈尔温度处伴随着磁场调控的电极化现象，暗示着Mn4Nb209是磁电材料，但目前还没有关于Mn 4Nb209单晶的报道。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种采用一步法直接生长磁电材料Mn4Nb209单晶的方法，采用光学浮区法一步直接制备大尺寸Mn4Nb209单晶，制备工艺过程无腐蚀，无污染，晶体生长效率高，工艺可重复性好，所制备的晶体完整性好，晶体质量高，满足制备磁电器件的特种功能材料需求。
[0005]为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案:
一种采用一步法直接生长磁电材料Mn4Nb209单晶的方法，包括如下步骤:
①多晶棒的制备和预合成工艺:
a.采用纯度为3N以上的MnC0#P Nb 205作为初始原料，并将MnCO 3与Nb 205按摩尔比为4:1的比例进行配比，在将按上述成份配比的混合料进行研磨和充分混合后，将混合料置于高温炉内，在Ar气保护气氛条件下和900°C的温度下烧结12 h，然后随炉自然降至室温，得到预烧结原料备用；
b.将在所述步骤a中制备的预烧结原料进行研磨得到，再将研磨后的多晶料粉放入模具中，在50-200 MPa压力下等静压成型，制备成分为MnNb206和Μη304的混合相的原料棒；②一步法单晶生长工艺:
a.将一根原料料棒固定在下方籽晶杆的座台上作为籽晶棒，将另外一根原料棒悬挂在上方料杆的挂钩上作为料棒，然后调整好籽晶棒和料棒之间的相对位置，保证籽晶棒和料棒同轴设置；
b.采用光学浮区法，启动旋转系统，控制转速为10~30rpm，控制空气气流流量在2-6L/min之间，在自动升功率至45%后，继续采用手动升功率，待料棒熔化均匀后，开始对接料棒和籽晶棒，待熔区稳定后，以5 mm/h的速度稳定生长晶体材料，生长晶体材料结束后，缓慢降至室温，最终制得纯相的Mn4Nb209单晶；优选最终制得纯相的直径不低于7mm且长度不低于35mm的大尺寸Mn4Nb209单晶材料。
[0006]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明采用预烧结结合光学浮区法，通过一步直接获得了纯相的大尺寸的磁电材料Mn4Nb209单晶，所得的单晶表面光洁度好、致密度高和均匀性好；
2.本发明在预烧结过程中得到MnNb206和Μη304的混合相，采用该混合相的料棒和籽晶在Ar气保护下生长，一步直接即可获得了纯相的Mn4Nb209单晶，不需要通过单相材料材料制备单晶材料，工艺易于实现，原材料成本低。
【附图说明】
[0007]图1是本发明优选实施例制备磁电材料Mn4Nb209单晶的光学浮区法生长装置原理图。
【具体实施方式】
[0008]本发明的优选实施例详述如下:
在本实施例中，参见图1，一种采用一步法直接生长磁电材料Mn4Nb209单晶的方法，包括如下步骤:
①多晶棒的制备和预合成工艺:
a.采用纯度为3N以上的MnCO#Nb 205作为初始原料，并将MnCO 3与Nb 205按摩尔比为4:1的比例进行配比，在将按上述成份配比的混合料进行研磨和充分混合后，将混合料置于高温炉内，在Ar气保护气氛条件下和900°C的温度下烧结12 h，然后随炉自然降至室温，得到预烧结原料备用；
b.将在所述步骤a中制备的预烧结原料进行研磨得到，再将研磨后的多晶料粉放入模具中，在50-200 MPa压力下等静压成型，分别制备出直径8 mm、长度约50 mm的原料棒1和直径5mm、长度约30 mm的籽晶棒2，经XRD确认，该原料棒1和籽晶棒2均为MnNb206和Μη304的混合相，而非单相Mn 4Nb209多晶材料，即得到上棒和下棒；
②一步法单晶生长工艺:
a.将一根30 mm长的籽晶棒2固定在下方籽晶杆的座台上作为下棒，将一根50 mm长的原料棒1悬挂在上方料杆的挂钩上作为上棒，然后调整好籽晶棒2和原料棒1之间的相对位置，保证籽晶棒2和原料棒1同轴设置；
b.采用光学浮区法，设置光学浮区炉，如图1所示，光学浮区炉主要有三个部分构成:加热系统3、机械控制系统和气氛控制系统，加热系统是卤素碘钨灯或氙灯，其加热温度分别最高达到2200°C和2800°C;启动旋转系统，控制转速为10~30 rpm，控制空气气流流量在
2-6 L/min之间，在自动升功率至45%后，继续采用手动升功率，待料棒熔化均匀后，开始对接料棒和籽晶棒，待熔区4稳定后，以5 mm/h的速度稳定生长晶体材料，生长晶体材料结束后，缓慢降至室温，最终制得纯相的直径为7mm且长度为35mm的大尺寸Mn4Nb209单晶材料。
[0009]在本实施例中，参见图1，采用光学浮区法一步直接成功制备了 Mn4Nb209单晶，所得的单晶表面不论光洁度、致密度、均匀性都很理想。本实施例Mn4Nb209在料棒烧结过程中得到的可以不是单相材料，而是MnNb206和Μη 304的混合相，米用该混合相的料棒和轩晶在Ar气保护下生长，一步直接获得了纯相的Mn4Nb209单晶。本实施例制备Mn 4Nb209单晶方法的优势在于无腐蚀，无污染，晶体完整性好，质量很高，晶体生长效率高，可重复性好。
[0010]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明采用一步法直接生长磁电材料Mn4Nb209单晶的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种采用一步法直接生长磁电材料Mn 4Nb209单晶的方法，其特征在于，包括如下步骤: ①多晶棒的制备和预合成工艺: a.采用纯度为3N以上的MnCO#PNb 205作为初始原料，并将MnCO 3与Nb 205按摩尔比为4:1的比例进行配比，在将按上述成份配比的混合料进行研磨和充分混合后，将混合料置于高温炉内，在Ar气保护气氛条件下和900°C的温度下烧结12 h，然后随炉自然降至室温，得到预烧结原料备用； b.将在所述步骤a中制备的预烧结原料进行研磨得到，再将研磨后的多晶料粉放入模具中，在50-200 MPa压力下等静压成型，制备成分为MnNb206和Μη304的混合相的原料棒； ②一步法单晶生长工艺: a.将一根原料料棒固定在下方籽晶杆的座台上作为籽晶棒，将另外一根原料棒悬挂在上方料杆的挂钩上作为料棒，然后调整好籽晶棒和料棒之间的相对位置，保证籽晶棒和料棒同轴设置； b.采用光学浮区法，启动旋转系统，控制转速为10~30rpm，控制空气气流流量在2-6L/min之间，在自动升功率至45%后，继续采用手动升功率，待料棒熔化均匀后，开始对接料棒和籽晶棒，待熔区稳定后，以5 mm/h的速度稳定生长晶体材料，生长晶体材料结束后，缓慢降至室温，最终制得纯相的Mn4Nb209单晶。2.根据权利要求1所述采用一步法直接生长磁电材料Mn4Nb209单晶的方法，其特征在于:在所述步骤②中，最终制得纯相的直径不低于7mm且长度不低于35mm的大尺寸Mn4Nb209单晶材料。
【专利摘要】本发明公开了一种采用一步法直接生长磁电材料Mn4Nb2O9单晶的方法，其步骤为：初始原料采用纯度为3N以上的MnCO3与Nb2O5按摩尔比4:1制备料棒即上棒和下棒；置于高温炉内在900℃、在Ar气保护下烧结12h，随炉自然降至室温；得到的料棒在光学浮区炉生长单晶。该方法的特点是所得的单晶表面不论光洁度、致密度、均匀性都很理想；本发明Mn4Nb2O9在料棒预合成过程中得到的是MnNb2O6和Mn3O4的混合相，采用该混合相的料棒和籽晶在Ar气保护下生长，一步直接获得了纯相的Mn4Nb2O9单晶。制得的大尺寸单晶将为后续的基础研究和器件应用提供技术基础。
【IPC分类】C30B13/00, C30B29/30
【公开号】CN105332057
【申请号】CN201510659844
【发明人】曹义明, 曹世勋, 向茂林, 康保娟, 张金仓
【申请人】上海大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年10月14日