掺铬硒化锌单晶的布里奇曼生长装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置及方法，属于晶体材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]掺铬砸化锌(Cr2+ = ZnSe)是一种可以直接泵浦产生中红外(1.7-3.6μπι)激光输出的红外激光晶体材料，其作为激光器增益介质材料，具有最大声子能量低、荧光寿命长、调谐波段宽等优点，在定向红外激光干扰、红外测距、红外医疗、红外光谱、工业检测、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
[0003]布里奇曼晶体生长法是一种常用于制备碱金属和碱土金属卤化物和氟化物单晶生长方法，也称为坩祸下降法。晶体粉末装在圆柱型的坩祸中，在缓慢下降过程中通过一个具有一定温度梯度的加热炉。在通过加热区域时，坩祸中的材料被熔融，当坩祸持续下降时，坩祸底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶，晶体随坩祸下降而持续长大。然而，这种晶体生长方法对于生长有金属掺杂的单晶时，由于原料升华、掺杂不均匀、缺陷及晶格失配等因素的制约而极难生长出高质量，满足应用要求的大尺寸晶体。因此，对于CriZnSe晶体来说，绝大多数生长方法是采用热扩散生长技术来进行晶体的后期掺杂，即将Cr2+粉末悬涂于已经生长完成的ZnSe晶体表面，而后加热，利用热扩散方法使金属离子扩散进晶体内部，从而达到掺杂的效果。但这种方法虽然减少了缺陷对晶体造成的影响，但由于这种梯度扩散方法很难将金属粒子在空间上掺杂均匀，晶体中的掺杂密度也难免会形成梯度趋势。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有技术的方法制备的Cr = ZnSe晶体中掺杂密度存在梯度的技术问题，提供一种掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置及方法。
[0005]本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
[0006]掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置，包括底座、炉罩、石墨毡、传动杆、锁销、坩祸、坩祸盖、两个支架、上加热器、下加热器、两个加热电极和两个热电偶；
[0007]所述底座由支撑座和固定台组成，所述固定台固定在支撑座的顶端；
[0008]所述炉罩由外壳、内壳和法兰盘组成，所述外壳与内壳均为底端开口的中空结构，夕卜壳上设有进水口和出水口，内壳套装在外壳内，外壳和内壳之间形成中空腔体，内壳的底端开口边缘和外壳的底端开口边缘从内至外依次固定在法兰盘顶面的法兰口边缘上，法兰盘密封固定在固定台上，炉罩与固定台形成炉腔，固定台上设有用于对炉腔抽真空的通孔；
[0009]所述石墨租固定在内壳的内壁上；
[0010]所述传动杆的顶端贯穿固定台，伸入炉腔内，传动杆与固定台通过锁销固定连接；
[0011]所述坩祸的底端固定在传动杆的顶端；
[0012]所述樹祸盖盖在樹祸上；
[0013]所述两个加热电极均固定在固定台上；
[0014]所述两个支架平行于传动杆设置在炉腔内，且两个支架的底端分别与一个加热电极固定连接；
[0015]所述上加热器和下加热器皆为两端开口的中空结构，且均通过两个支架固定，从上至下依次设置在炉腔内，上加热器套装在坩祸外，下加热器套装在传动杆外；
[0016]所述两个电偶一个固定在坩祸的底端，另一个固定在任意一个支架上且靠近下加热器的底端；
[0017]所述传动杆、坩祸、坩祸盖、上加热器和下加热器的材料均为石墨。
[0018]进一步的，所述外壳、内壳和法兰盘一体成型。
[0019]进一步的，所述支撑座和固定台一体成型。
[0020]进一步的，所述法兰盘通过密封螺栓固定在固定台上。
[0021]进一步的，所述法兰盘的底面设有环形凸台，固定台的顶面设有与环形凹槽配合的环形凸台。
[0022]进一步的，所述坩祸的中心轴与传动杆的中心轴线共线。
[0023]进一步的，所述两个支架相对于传动杆对称。
[0024]进一步的，所述上加热器和下加热器均为圆柱形，且半径相等，中心轴均与传动杆的中心轴线共线。
[0025]上述掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置制备掺铬砸化锌单晶的方法，包括以下步骤:
[0026]步骤一、将铬粉末与砸化锌粉末按摩尔比3:100混合均匀，得到混合粉末；
[0027]步骤二、取下炉罩并打开坩祸盖，将混合粉末放入坩祸中，盖上坩祸盖和炉罩，通过固定台的通孔对炉腔抽真空后，充入氩气，至炉腔内压强达到0.19-0.21个大气压；
[0028]步骤三、通过进水口和出水口向中空腔体中通入循环水，并控制上加热器和下加热器共同加热23-25h，使炉腔内从上至下形成1800-1850°C、1450-1500°C、10-1250°C的梯度温度分布，炉腔内压力达到16-18个大气压；
[0029]步骤四、传动杆控制坩祸从上至下移动至炉腔的底部，依次经过1800_1850°C、1450-1500°C、10-1250°C的梯度温度分布的区域，移动时间为十五天，即得到掺铬砸化锌单晶。
[0030]进一步的，所述步骤四中，坩祸从上至下移动至炉腔的底部后，经23_25h降至室温，得到掺铬砸化锌单晶。
[0031]与现有技术相比，本发明的有益效果:
[0032]本发明的掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置及方法通过铬粉末与砸化锌粉末共同混合熔炼的办法，直接生长出大体积、高质量的Cr = ZnSe晶体；在长时间高温加热的过程中也能够保持反应物稳定的物化性质，不会产生晶体生长的杂质，保证了晶体纯净。
【附图说明】
[0033]图1为本发明掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置的结构示意图。
[0034]图2为本发明掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置拆下炉罩后的结构示意图；
[0035]图中，1、底座，101、支撑座，102、固定台，1021、通孔，2、炉罩，201、外壳，2011、进水口，2012、出水口，202、内壳，203、法兰盘，204、中空腔体，3、石墨毡，4、传动杆，5、锁销，6、坩祸盖，7、坩祸，8、支架，9、上加热器，10、下加热器，11、加热电极，12、热电偶，13、密封螺栓。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图进一步说明本发明。
[0037]如图1-2所示，本发明的掺铬砸化锌单晶的布里奇曼生长装置，包括底座1、炉罩2、石墨毡3、传动杆4、锁销5、坩祸6、坩祸盖7、两个支架8、上加热器9、下加热器10、两个加热电极11和两个热电偶12。其中，底座I包括支撑座101和固定台102 ;固定台102固定在支撑座101的顶端，固定台102上设有通孔1021，用于对炉腔抽真空；支撑座101和固定台102可以一体成型。炉罩2包括外壳201、内壳202和法兰盘203 ;外壳201和内壳202均为底端开口的中空结构，一般为柱形，外壳201上设有进水口 2011和出水口 2012，内壳202套装在外壳201内，外壳201和内壳202间形成中空腔体204，内壳202的底端开口和外壳201的底端开口从内至外依次固定在法兰盘203的顶面法兰口的边缘上；法兰盘203密封固定在固定台102上，法兰盘203的底面与固定台102紧密接触，炉罩2和固定台102形成炉腔；外壳201、内壳202和法兰盘203可以一体成型。石墨毡3粘贴固定在内壳202的内壁上。传动杆4可以为螺旋传动杆，传动杆4贯穿固定台102，传动杆4的顶端伸入炉腔内，底端留在炉腔外。锁销5套装在传动杆4外，传动杆4通过锁销5固定在固定台102上。坩祸6的底端固定在传动杆4的顶端。坩祸盖7盖在坩祸6上。坩祸6和坩祸盖7可以在传动杆4的带动下，沿竖直方向升降。两个加热电极11均固定在固定台102上，用于给上加热器9和下加热器10加热。两个支架8与两个加热电极11--对应，每个支架8的底端与一个加热电极11的顶端固定连接，两个支架8均平行于传动杆4。上加热器9和下加热器10均为顶端开口的中空结构，上加热器9的外壁固定在两个支架8的上部，下加热器10的外壁固定在两个支架8的中部，即上加热器9和下加热器10从上至下沿支架8依次设置，上加热器9套装在坩祸6外，下加热器10套装在传动杆4外。两个热电偶12 —个固定在坩祸6的底端，另一个固定在支架8上且靠近下加热器10的底端。其中，传动杆4、锁销5、坩祸6、坩祸盖7、上加热器9和下加热器10的材料均为石墨。
[0038]本实施方式中，为增加炉罩2与固定台102形成的炉腔密封性，保证炉腔内可以形成高压生长环境，来抑制生长原料的升华，法兰盘203底面设有环形凸台，固定台102的顶面设有环形凹槽，环形凸台与环形凹槽配合；法兰盘203 —般通过密封螺栓13固定在固定台102上。
[0039]本实施方式中，为保证坩祸6受热均匀，坩祸6可以圆柱形结构，上加热器9和下加热器10的形状与坩祸6的形状相配合，一般也为圆柱形结构，坩祸6、上加热器9和下加热器10的中心轴均与传动杆4的中心轴共线，且两个支架8相对于传动杆4对称；在坩祸6从上至下的运动过程中，上加热器9和下加热器1