专利名称：碘酸钾单晶的单畴化方法
技术领域：
本发明涉及作为非线性光学器件材料的多畴碘酸钾单晶的单畴化方法。
碘酸钾(KIO3)单晶是一种多功能铁电材料，它的非线性光学系数高于目前广泛使用的非线性光学晶体。它的热稳定性极好，适于在不同的温度条件下使用。因此它在激光技术和其它光电子技术领域中都具有重要的应用价值。碘酸钾单晶是用水溶液法生长的，该晶体含有孪晶和复杂的多电畴结构，因此使得它的光学均匀性质不能达到制作光学器件的要求，从而影响了它的优良性能的发挥。碘酸钾单晶和其它铁电晶体一样，在制作器件之前需要进行单畴化(或极化)处理。
铁电体的通常的单畴化方法主要是同时给晶体加热、加电场，或同时给晶体加热、加电场和加压力。对碘酸钾单晶而言，由于它的畴结构复杂并含有孪晶等因素，使得它的单畴化的条件较为苛刻。1972年G.R.Crane〔J.Appl.Cryst.，5(1972)，350〕曾报导对毫米级的碘酸钾晶体同时加热和加压力去除孪晶的方法，加温至212℃以上，加压力180kg/cm2。上述条件对大块有实用价值的KIO3晶体是不适用的，因为大块晶体难于使其受力特别均匀，所以在180kg/cm2压力下，在高温212℃以上几乎所有的大块碘酸钾晶体都要破碎。
本发明的目的是给出一种实现碘酸钾单晶畴化的新方法-“温度振荡法”。这种方法可使工作电压和所加压力降低，因而样品不易炸裂。该方法简便，易于操作。
本发明的要点是(1)将碘酸钾单晶放入极化炉的硅油中，给晶体同时加热，加电场，沿晶体中占主导地位的固有畴界走向所加电场为7-10kv/cm，在72℃相变点附近采用温度振荡范围为65℃-85℃的温度振荡法让晶体的温度在此范围内往复多次通过相变点，达到消除孪晶和实现单畴化。
(2)给晶体同时加热，加电场并施加一定的压力，在212℃相变点附近进行温度振荡，温度振荡范围为200℃-235℃，沿晶体x方向施加4-5kv/cm的电场，再沿晶体的y方向施加6-10kg/cm2的压力，达到消除孪晶和实现完全单畴化。
下面结合碘酸钾单晶的单畴化实施例来进一步描述本发明的实施过程。
为了下面叙述的方便现在给出碘酸钾单晶方向的表征，碘酸钾在室温下的晶体结构属于三斜晶系，但它的三个轴长和三个夹角的值都分别相接近，因此在实验上可按
三方对待，进而可用六方晶系来表示，晶体的外形是一个六方棱柱，其外形与坐标的选择如
图1所示。图1表示了晶体外形、样品界面和坐标轴之间的关系。
(1)在相变温度72℃附近，采用温度振荡法消除孪晶和多畴。同时给晶体加热和加电场。
碘酸钾在72℃以上和以下均为铁电相，而且从一个铁电相到另一铁电相的相转变是可逆的。
施加电场方向的选择，碘酸钾具有复杂的畴结构，但占主导地位的是120°畴，它的互成120°分布的极化分量总是在Z面内，但这三个分量的强度一般都是不相等的。我们的实验结果表明，碘酸钾的主要畴界走向往往只出现在某一特定的方向上，并形成平行畴界的密集区域，在偏光显微镜下很容易找到这些平行畴界的走向。沿这些畴界方向加电场，使畴界两侧的极化矢量旋转120°与电场方向重合。这样作单畴化效果最好。而这一方向通常是接近与晶体的六个棱柱侧面之一相垂直。
碘酸钾样品为六方柱体，放入极化炉的硅油中，给晶体加热至72℃以上，当温度达到85℃左右，在样品的y方向(即样品固有畴界取向占优势的方向)加上7-10kv/cm的电场，再以1℃/分的平均速度降温，当温度通过相变点72℃时，在观察窗沿晶体的Z轴方向用望远显微镜可观察到孪晶和非电场方向上的电畴开始消失，当温度降至65℃时，可在65℃-85℃之间用温度振荡法多次往复，每通过相变点一次，孪晶和非电场方向上的电畴就消失一些，直至孪晶和非电场方向上的宏观电畴完全消失为止，再以小于1℃/分的速度降温到室温。实验结果如图2所示。图2给出了单畴化前后碘酸钾晶体光学均匀性的比较。该方法的优点是单畴化过程中工作温度较低，样品不易炸裂，相变温度最靠近室温，通过一个相变温度，便可直接得到室温单畴晶体。从图2中(a)和(b)的比较中可以看出经过处理后的晶体的光学均匀性得到明显改善。
(2)在相变温度212℃附近，采用温度振荡法消除孪晶和多电畴。同时给晶体加热，加电场和压力。
碘酸钾晶体在212℃以上和以下分别是顺电相和铁电相，这一从顺电相到铁电相的相变也是可逆的。
将碘酸钾单晶加工成平行六面体，它的三组界面分别为x、y、z面，x、y、z面分别垂直于x、y、z轴(参看图1)，将样品放入极化炉的硅油中，将样品缓慢加温至212℃以上，这时样品处于顺电相，其畴结构已消失。沿晶体的x方向加上4-5kv/cm的电场，在y方向加上6-10kg/cm2的压力，如图3所示。图3给出了加电场和加压力的方向。加电场后的极化脉冲电流为1.5mA/cm2左右。极化的工作电流一般为15-20μA/cm2。升降温速度为1℃/分，在200℃-235℃之间，采用温度振荡法进行处理，直至孪晶和电畴完全消失。然后再以缓慢的降温速度降至室温。可获得单畴晶体，如图4所示。图4给出了单畴化处理前后的晶体光学均匀性的对比。
在212℃附近实施单畴化时，操作过程中要注意以下两个问题(1)工作温度不得超过250℃，在高温下碘酸钾有分解的可能，由于碘的析出使晶体变成不透明的暗红色，而且这一过程是不可逆的。
(2)电压不能过高，最好不超过6kv/cm，否则样品有被击穿而粉碎的可能。
经单畴化后的样品，光学均匀性得到明显改善，可达到制作光学器件的要求。从图5可以看出单畴化后的碘酸钾晶体其透射光中的散射光已全部消失。
说明书附面说明图1.晶体的坐标与外形。x、y、z为坐标轴，1为x面，2为y面，3为z面。
图2.(a)单畴化前碘酸钾晶体在正交偏光下的显微照片，放大80倍。
(b)单畴化后碘酸钾晶体在正交偏光下的显微照片，放大80倍。
图3.单畴化装置，4为硅油，5为电极，6为加压力系统，7为碘酸钾晶体样品。
图4.(c)单畴化前碘酸钾晶体在正交偏光下的显微照片，放大160倍。
(d)单畴化后碘酸钾晶体在正交偏光下的显微照片，放大160倍。
图5.(e)单畴化前碘酸钾晶体对光的散射。
(f)单畴化后碘酸钾晶体对光的散射。
权利要求
1.碘酸钾单晶的单畴化方法，将碘酸钾样品放入极化炉的硅油中，采用对晶体加热、加电场，或加热、加电场和加压力的方法来去除孪晶和实现单畴化，其特征是(1)采用了在相变点72℃附近的“温度振荡法”，并沿晶体中占主导地位的固有畴界走向施加电场。(2)采用了在相变点212℃附近的“温度振荡法”，并沿晶体的x方向施加电场和沿y方向施加压力。
2.按照权利要求1所说的方法，其特征在于当采用的温度的振荡范围为65℃-85℃，相变温度为72℃时，沿晶体中的固有畴界走向给晶体施加7-10kv/cm的电场，让温度在相变点附近往复多次，以达到逐次消除晶体中的孪晶和多畴结构。
3.按照权利要求1所说的方法，其特征在于当采用的温度的振荡范围为200℃-235℃，相变温度为212℃时，沿晶体的x方向给晶体施加4-5kv/cm的电场，再沿晶体的y方向给晶体施加6-10kg/cm2的压力，让温度在212℃相变点附近往复多次，便可得到室温单畴碘酸钾晶体。
4.按权利要求1或2所说方法，其特征是所加7-10kv/cm的电场是沿平行的120°畴界走向，其效果最佳。
全文摘要
本发明给出了一种碘酸钾单晶的单畴化和去孪晶的方法。将碘酸钾晶体放入极化炉的硅油中，给晶体加热、加电场，或给晶体加热、加电场和加压力，在相变点72℃或212℃附近采用“温度振荡法”来消除晶体的孪晶和多畴结构(温度振荡范围为65℃-85℃或200℃-235℃)，从而可获得光学均匀性好，满足光学器件制作要求的单畴碘酸钾晶体。本发明方法简便，易于操作。
文档编号C30B33/04GK1059570SQ91109478
公开日1992年3月18日 申请日期1991年10月10日 优先权日1991年10月10日
发明者王琇, 张海龙, 李和平, 肖定全, 焦志峰 申请人:四川大学