闪烁体晶体以及形成方法

专利名称：闪烁体晶体以及形成方法
技术领域：
本披露是针对单晶体，并且特别是针对包括稀土硅酸盐组合物的单晶体，以及形 成它们的方法。
背景技术：
某些晶体组合物作为可以用在检测器应用中(范围从核物理学、医学到更多的工 业应用，例如采矿和钻孔)的闪烁材料是有用的。当前，医药行业已经对某些稀土硅酸盐显 示了很大的兴趣，此类材料以闪烁单晶体成分的形式具有潜在地所希望的特性。这些特性 包括快速衰减时间(快)、辐射俘获效率(密度)、光强度(明亮)、以及减小的像素串扰。 然而，在追求此类有前景的材料的商业化上仍旧存在挑战。典型地，使用Czochralski方法使稀土硅酸盐的闪烁体晶体以及特别地单晶体生 长，在该方法中，将用于引起一种优选的结构生长的一个晶种与包含一种稀土硅酸盐组合 物的一个熔融物相接触，并且将晶种从熔融物拉出并且相对于熔融物旋转以形成单晶体材 料的一种圆柱形晶锭。虽然现有技术方法可以生产单晶体稀土硅酸盐，本行业继续需要高 质量的闪烁体晶体以及形成它们的方法。发明的披露根据第一个方面，披露了包括一种生成态限边送膜生长(Ere)的单晶体的一种闪 烁体晶体。该生成态Ere单晶体具有一个本体，该本体具有一个厚度、一个宽度、和一个长 度使得厚度<宽度<长度，并且该本体具有的垂直于该长度的截面面积为不小于约16mm2。根据第二个方面，披露了形成一种闪烁体晶体的一种方法，该方法包括在一个模 口的一个毛细管(capillary)和一个成形通道内提供一种熔融物。该模口被配置在包含 该熔融物的一个坩埚内，并且该熔融物在该坩埚内限定了一个熔融物表面。该方法进一步 包括将一种单晶体从来自该模口的成形通道的熔融物拉出，这样使得该单晶体具有一个本 体，该本体具有一个厚度、一个宽度、和一个长度，其中厚度<宽度<长度。该本体具有的垂 直于该长度的截面面积为不小于约16mm2。根据另一个方面，披露了一种稀土硅酸盐闪烁体单晶体，该单晶体具有一个本体， 其中该本体具有一个厚度、一个宽度、和一个长度，其中厚度<宽度<长度。该本体进一步 包括一个第一端和一个第二端，该第二端由该本体的长度与该第一端分隔，其中该第一端 包括一种第一组合物，并且该第二端包括一种第二组合物，该第二组合物与该第一组合物 相差不少于一种元素。根据另一个方面，披露了一种限边送膜生长(Ere)的稀土硅酸盐单晶体。该稀土硅酸盐单晶体包括Yb并且具有一个本体，该本体具有一个厚度、一个宽度、一个和长度，其 中厚度 < 宽度 < 长度。附图简要说明通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域技术
人员变得清楚。


图1是一个流程图，它展示了根据一个实施方案用于形成稀土硅酸盐单晶体的方 法。图2是用于根据一个实施方案使一种稀土硅酸盐单晶体生长的一台限边送膜生 长(Ere)装置的简图。图3是根据一个实施方案的一个坩埚、模口、毛细管以及成形通道的截面图示。图4是根据一个实施方案的一个毛细管和成形通道的图示。
图5是根据一个实施方案的一个毛细管和成形通道的截面图示。图6是根据一个实施方案的一个毛细管和成形通道的截面图示。图7是根据一个实施方案的具有一个颈(neck)部和一个本体部分的一种如此形 成的单晶体的图示。图8是根据一个实施方案的一个单晶体的一个本体的图示。图9是根据一个实施方案的具有一个颈部和一个本体部分的一种如此形成的单 晶体的图示。图10是根据一个实施方案的包括Yb的一种如此形成的稀土硅酸盐单晶体的图
7J\ ο 在不同附图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。优选实施方案的说明参见图1，在此提供了一个流程图，该流程图展示了根据一个实施方案用于形成一 种单晶体的步骤。如在图1中所展示，该过程在步骤101通过在一个坩埚内提供一种稀土硅 酸盐组合物而开始。总体上，该稀土硅酸盐组合物是在室温下以一种粉末或干的形式在一 个坩埚中提供的。该稀土硅酸盐组合物可以包括一种单一均勻的粉末，或者可以包含多于 一种粉末的一个不均勻的组合，例如一种稀土硅酸盐粉末和一种氧化物粉末的一个组合。关于该稀土硅酸盐组合物，总体上该硅酸盐组合物是一种原硅酸盐或焦硅酸盐组 合物。如在此所使用的，稀土元素包括例如Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、 Tm、Yb、以及Lu的元素。这样，该稀土硅酸盐组合物包括一种或多种这些以上所列的稀土元 素。根据一个实施方案，该稀土硅酸盐组合物包括Lu、Gd、Y、Sc、以及Ce的至少一种，这几 种元素是特别有效的种类。例如，该硅酸盐组合物可以包括一种或多种特别的种类Lu、Gd、 Y、Sc、以及 Ce，这样可以形成 LSO、LYSO, YSO、GSO、ScSO, LGSO, GYSO,以及 LGYSO 的晶体组 合物，其中“L”代表Lu, “Y”代表Y，“G”代表Gd，“S”代表Si，并且“Sc”代表Sc。在具体的实施方案中，该稀土硅酸盐组合物可以包括Lu，这样该稀土硅酸盐主要 是一种硅酸镥，称为LS0。甚至更具体地，在LSO硅酸盐组合物的情况下，可以加入Y以形成 一种钇镥硅酸盐组合物，称为LYS0。不过，在LYSO组合物中，Y的量相对于Lu的量而言是 少的，这样Y典型地是以不大于约50mol%存在的。在其他实施方案中，Y在硅酸盐组合物 内的量是在约5mol %与约20mol %之间的范围内。该稀土硅酸盐组合物可以包括其他的无机材料(例如添加剂)以生产一种掺杂的 单晶体。总体上，其他的无机添加剂可以包括氧化物类，并且更特别地是包含稀土元素的氧 化物类。合适的稀土元素包括以上所描述的那些，包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、 Dy、H0、Er、Tm、以及Yb。在一个实施方案中，在形成一种熔融物的制备过程中坩埚的装料包 括提供一种稀土氧化物、或包含一种或多种稀土元素的复合氧化物。特别合适的稀土氧化物类包括那些包括Gd、Y、以及Ce的氧化物。在一个具体的实施方案中，将一种包括Ce的 氧化物作为添加剂加入到坩埚中以生产一种具有特殊闪烁特性的单晶体。少量的一种含铈 的无机添加剂的提供促进了一种掺杂铈的晶体的生产。总体上，掺杂铈的晶体可以具有相 对低百分比的Ce，例如不大于约lmol%。其他晶体可以具有更低的Ce含量，例如不大于约 0. 5mol%的Ce，或者不大于约0. 2mol%的Ce。在步骤101中在坩埚内提供稀土硅酸盐组合物(以及任何其他的无机添加剂)之 后，该过程在步骤103通过将组合物加热以形成一种熔融物而继续进行。总体上，加热在不 小于约1800°C的熔融温度(Tm)下进行。在具体的实施方案中，熔融温度(Tm)可以是更大 的，例如不小于约1950°C，或不小于约2000°C，不小于约2050°C，或甚至不小于约2100°C。 可以通过使用在坩埚周围放置的线圈的感应加热来完成加热，并且总体上不超过2500°C。 总体上，所利用的熔融温度(Tm)确保了组合物的完全熔化，但是Tm是受限制的为了不必要 地增加该方法的热量预算。一旦在坩埚内形成了一种流动的熔融物，该熔融物还存在于坩埚内的一个模口部分内。具体地，该模口包括一个毛细管和一个成形通道。将会在附图中更详细地进行说明， 该模口包括从模口的底表面中的一个开口延伸至模口体内的一个内部空间的一个毛细管。 该成形通道从模口的顶表面中的一个开口延伸进入模口内的一个内部空间。毛细管和成形 通道是相连接的，那就是，它们彼此是相通的，并且一起形成一个穿过模口内部的通道。这 样，一旦形成了一种液体熔融物，该熔融物经过毛细管被拖入模口内并且通过毛细作用被 拖入成形通道内。不像其他的形成单晶体的方法，例如Czochralski方法，本实施方案利用了特别 设计的部件，包括基于广泛测试以经验为主开发的坩埚、毛细管、以及成形通道，这些部件 使得能够生长大的稀土硅酸盐单晶体。这些部件特别使得能够形成一种熔融物，该熔融物 在模口的毛细管内开始了熔融物的一个毛细上升，这样使得该熔融物上升到高出坩埚内的 熔融物表面的一个特定的高度。总体上，毛细上升具有的高度为不小于约5. Omm0在另一个 实施方案中，毛细上升的高度是更大的，例如不小于约10mm，或不小于约15mm，或甚至不小 于约20mm。不过，毛细上升的高度是这样受限制的，以使它典型地是不大于约50mm。总体上，可以在一个不反应的气氛中进行加热，例如包含一种惰性气体、一种稀有 气体、氮气、或二氧化碳的一个气氛。为了提供一个合适的气氛，在形成稀土硅酸盐熔融物 之前，可以将在里面形成熔融物的壳体或腔室吹扫。总体上，吹扫包括迫使一种不反应的气 体进入腔室持续一段不小于约10分钟的时间来去除环境大气。根据一个实施方案，环境大 气是用一种不反应的气体进行吹扫的，例如一种稀有或惰性气体，持续不小于约30分钟、 或不小于约45分钟、或甚至不小于约1小时的一段时间。不过，吹扫过程总体上不具有大 于约4小时的一段持续时间。在充分吹扫之后，熔融物可以在不反应的气氛中形成。根据一个实施方案，该气 氛包括氩，例如像不小于约95vol%的氩。根据一个具体实施方案，该气氛包括不小于约 98vol %的氩，例如不小于约99vol %的氩，或甚至不小于约99. 9vol %的氩。在利用此类气 氛的实施方案中，氧气的浓度可以减小这样氧气不大于约5vol%，或不大于约lvol%，或 甚至不大于约0. Ivol %。然而，根据一个具体实施方案，氧气的一些百分比存在于例如气氛 总体积的约3vol%与约0. Ivol%之间。
在于步骤103形成该熔融物之后，该过程在步骤105通过使一个晶种接触在模口 内的熔融物表面而继续进行。典型地，该晶种具有与预期的或所希望的构成和所要形成的 单晶体的晶格结构相同的一种晶格结构和构成，那就是，该晶种是用于相同类型的晶体生 长的一个模板。将该晶种放低并且接触在模口内的熔融物表面，并且特别地是在成形通道 内存在的熔融物表面。在此过程中，在将晶种接触熔融物表面后，将温度从一个熔融温度 (Tffl)调节到一个引晶温度(Ts)。因此，这个引晶温度(Ts)典型地是不小于高出熔融温度 (Tffl)约5°C。在一个实施方案中，引晶温度(Ts)是更高的，例如不小于高出熔融温度(Tm)约 8°C，或不小于高出约10°C，或甚至不小于高出约15°C。那就是例如，引晶温度(Ts)典型地 是在大约1800°C与大约2150°C之间的范围内。总体上，将温度从熔融温度(Tm)调节到引晶温度(Ts)，这样使得一个薄膜在晶种 与成形通道内的熔融物表面之间形成。在处于引晶温度的熔融物表面之上的薄膜应该具有 一个特定的高度，这样使得引起一种单晶体的生长。因此，在引晶温度(Ts)下，这样形成液 体膜以使它典型的具有不小于约0. 5mm的高度。在其他实施方案中，液体膜的高度可以是 更大的，例如大约Imm或甚至2mm。然而，总体上在熔融物之上形成的初始液体膜不大于约 5mm ο
一旦令人满意地在熔融物表面之上形成了液体膜，将晶种以远离成形通道内的熔 融物表面的一个方向平移。此过程记录于在图1的步骤107引起形成单晶体材料的颈。总 体上，将晶种以不大于约60mm/hr、例如不大于约30mm/hr、或不大于约15mm/hr、或甚至不 大于约5mm/hr的速率平移。不过，晶种的平移适合用于促进及时形成一种大型的单晶体并 且因此平移速率总体上是大于约lmm/hr。颈的形成促进了可以扩展到成形通道的全部尺寸 的单晶体的受控制的生长。此外，在形成颈的过程中一个特殊的拉出速率促进了一种大型 质量单晶体本体的形成。过大的拉出速率可以导致缺陷的形成，例如夹杂和裂缝，导致了一 种不均勻的并且潜在地多晶的结构。然而，过慢的拉出速率可以具有相同的效果，导致了例 如夹杂、裂缝以及晶界的缺陷的形成。一旦连续拉出晶种，颈理想地变宽到可与成形通道的宽度相比的宽度。所希望 的是颈扩展，并且特别地是颈扩展到可与成形通道相比的尺寸，这样使得形成了具有一个 最大尺寸的本体的一种单晶体。此外，令人希望的是在拉出过程中这种颈均勻地并且对 称地向模口的相对末端扩展，这样使得由主体的相对侧的转变所限定的主体部分的引发 (initiation)之间的高度差减小了。根据一个实施方案，在形成颈的过程中，检查了在颈内生长的单晶体的质量。总体 上，在颈已经生长了一段显著的长度(例如大约5mm)后进行单晶体的检查。如果颈内的单 晶体材料的质量是不合适的，可以通过将膜破裂来中止形成过程，并且通过放低晶种并且 重新形成颈来再次弓I发形成过程。在于步骤107形成单晶体材料的颈以后，该过程在步骤109通过形成单晶体的本 体可以继续进行。典型地，单晶体的本体具有大于颈的尺寸，并且本体形成了单晶体的区 域，从该区域将收获用于特殊应用的一种或多种晶体。由于单晶体所要生长的大尺寸，将 温度从一个引晶温度(Ts)调节到一个扩展温度(Tsp)，这帮助了膜在横跨成形通道宽度的 熔融物表面之上的扩展以形成一种具有所希望尺寸的单晶体本体。总体上，扩展温度(Tsp) 为不小于低出引晶温度(Ts)约2°C。根据一个具体实施方案中，扩展温度(Tsp)不小于低出引晶温度(Ts)约5°C，或不小于低出约8°C，或甚至不小于低出约10°C。不过，扩展温度 (Tsp)总体上不大于低出引晶温度(Ts)约20°C。那就是例如，扩展温度(Tsp)典型地是在大 约1800°C与大约2150°C之间的范围内。在生长过程中，对膜高出熔融物表面的高度进行控制使得单晶体本体的全部尺寸 可以有效生长。具体地，高出熔融物表面的液体膜的高度总体上是不大于约1mm，或不大于 约0. 5mm,或典型地在大约0. 2mm与大约0. 5mm之间的范围内。在一个实施方案中，高出成 形通道表面的液体膜的高度总体上是大约0. 3mm。通过调节晶种远离熔融物表面的平移速率，在单晶体的本体生长的过程中，膜的 高度可以是部分受控的。这样，晶种总体上以不大于约25mm/hr的速率远离熔融物表面向 上平移。可以将晶种以更慢的速率平移，例如不大于约20mm/hr，不大于约10mm/hr，或甚至 不大于约5mm/hr。这样，在本体生长过程中，晶种总体上以大约5mm/hr到大约15mm/hr之 间的范围内的速率平移。将会在单晶体本体的生长过程中并且特别是在大的单晶体的生长过程中理解的 是，随着所生长的晶体的质量增加，坩埚内的熔融物的质量将减小。为了避免限制在坩埚内 基于材料初始质量形成的单晶体的大小，并且为了维持高的构成均勻性，根据一个具体实 施方案，可以在单晶体生长过程中用多种原料重新充满坩埚。例如通过一个进料管在生长 过程中向熔融物提供原料促进了稀土硅酸盐单晶体的连续生长，并且用具有一个适当的化 学计量的原料重新装入熔融物，因此减小了在生长的单晶体中的构成变化。在生长过程中，一个重新装料过程或用原料对坩埚的供能促进了大型的结晶体的 形成。然而，这样的一个过程是需要小心处理的，并且可以要求在熔融物温度上的调节以维 持一种合适的液相用于适当的晶体生长。在供能加工中的某些情况下，在坩埚的重新装料 过程中，可以将温度升高以维持XXXXXX。此外，在一个具体实施方案中，最终形成的晶体的质量(M。)大于原料的最初质 量(Mm)。那就是，在一个实施方案中，晶体的最终质量与原料的初始质量之间的质量之比 (Mc Mffl)为不小于约2 1。根据另一个实施方案，该质量之比(M。 Mffl)更大，例如不小 于约3 1，或不小于约4 1，或甚至不小于约5 1。这样的一个质量之比可以通过在单 晶体形成过程中原料的有规律的装料、或甚至连续的进料到坩埚来完成。一旦完成了本体的形成，那就是，当形成了一种具有合适尺寸的令人满意的晶体 时，将单晶体本体以一个速率从熔融物表面拉出，使得液体膜破裂并且生长过程终止。因 此，在此过程中，晶种典型地是以不小于约50mm/hr的速率远离成形通道内的熔融物表面 来拉出的。在一个实施方案中，拉出速率是更大的，例如不小于约75mm/hr，或甚至不小于约 100mm/hr。这样，用来使生长过程结束的拉出速率典型的在大约500mm/hr与大约5000mm/ hr之间的范围内。在单晶体本体的形成完成之后，本体可以经过一个退火过程。这样，可以将晶体 在一种合适的气氛中在退火温度下保持一段合适的持续时间。总体上，退火温度不小于 约1000°C。在其他实施方案中，退火温度是更大的，例如不小于约1200°C，或不小于约 1500°C，或甚至不小于约1800°C。总体上，退火温度不大于约2000°C。此外，由于单晶体本 体的尺寸和构成，一段典型的退火持续时间为至少约30分钟。其他实施方案利用了一段更 长的退火持续时间，例如不小于约1小时，或不小于约2小时，或甚至不小于约5小时。总体上，退火过程不长于约120小时。退火气氛可以是还原的、中性的、或氧化的。这样，该气 氛可以包括一种正常大气、一种稀有气体、二氧化碳、或氮气。参见图2，展示了一台晶体生长装置200并且具体地是一台限边送膜生长(ER；)装 置。装置200部分地包括一个坩埚201和配置在坩埚内的一个模口 202。具体地关于坩埚 201，根据一个具体实施方案，坩埚201是由一种耐火材料(例如一种难熔金属)制成的。合 适的难熔金属是鉴于预期的熔融物构成基于金属的润湿行为来选择的。具体地，合适的难 熔金属包括钨、钽、钼、钼、镍、铱、以及它们的合金。根据一个具体实施方案，坩埚基本上是 由铱制成的。除了在生长装置200内所使用的材料外，坩埚201(连同在此描述的其他部件)的 尺寸也是特别设计的以促进大的单晶体的生长。具体地，坩埚的尺寸不是相对于现有技术 而简单地增大的以使更大的单晶体生长。而是，根据本实施方案，坩埚的尺寸是经过经验的 测试而特别设计的以与其他部件(例如毛细管和成形通道)联合工作，这样使得促进了大 型单晶体的有效并且精确的生长。具体地，坩埚的高度总体上是不大于约50mm。在其他实施 方案中，坩埚高度是更小的，例如不大于约40mm，或不大于约30mm，或甚至不小于约20mm。 在某些情况下，坩埚的高度是在大约IOmm与大约40mm之间的范围内。坩埚具有容纳模口的尺寸并且可以是例如圆形或椭圆形的。此外，可以选择某些尺寸的坩埚以适应某些加工要求，例如，一个用于一种连续装料过程的坩埚可以具有的比 一个用于一种单一装料过程的坩埚更小的直径，在单一装料过程中在生长过程中没有向坩 埚供能或重新装料。例如，在某些实施方案中坩埚的直径(即矩形形状坩埚的宽度)可以 是至少约50mm，例如至少约70mm、80mm，或甚至至少约100mm。不过，对坩埚的直径进行限制 的以使它在大约50mm与大约200mm之间的范围内。如先前所描述的，晶体生长装置200包括一个模口 202，模口 202可以包括一个毛 细管和一个成形通道(没有在图2中展示)，在此结合下图进行更详细的说明。总体上，模 口 202是由一种无机材料、具体地是一种耐火材料、并且更具体地是一种具有基于已知的 熔融物构成的合适的润湿行为的耐火材料形成的。这样，合适的耐火材料典型地包括难熔 金属，例如钨、钽、钼、钼、镍、以及铱、以及它们的合金。根据一个具体实施方案，模口 202基 本上是由铱制成的。如以上所描述的，生长装置200内的某些部件的尺寸是特别设计的以促进特别的 大型单晶体的生长。模口 202是一个这样的部件，被特别地设计来与其他部件(例如坩埚 201)结合以促进大的单晶体的生长。因此，模口 202的高度总体上是不大于约50mm。不过， 在一个实施方案中，模口高度是更小的，例如不大于约40mm，或不大于约30mm，或甚至不大 于约20mm。典型地，模口 202的高度是在大约IOmm与大约40mm之间的范围内。如同坩埚 201，模口 202可以具有一种总体上对称的或多边形截面的轮廓，例如像一种圆形或椭圆形 的形状。除了坩埚201和模口 202外，晶体生长装置200还进一步包括定位在坩埚之上的 一个盖子205和多个隔离件203，连同一个隔热屏239。根据一个实施方案，这些部件中的 每一个，即盖子205、隔离件203、以及屏239是由耐火材料(例如难熔金属)形成的。合适 的难熔金属可以包括这些金属，例如钨、钽、钼、钼、镍、铱、以及它们的合金。根据一个具体 实施方案，盖子205、隔离件203、以及屏239基本上是由铱制成的。
如在图2中所进一步展示，在坩埚201和模口 202之上的隔热屏239提供了一个 受控制的空间和环境用于将一个晶种211远离模口 202的顶表面拉出，这样使得可以形成 一个颈部209和一个本体207。根据一个具体实施方案，形成了隔热屏239，这样使得它控 制了横跨单晶体本体的宽度的热梯度。根据一个具体实施方案，形成了热屏蔽，这样使得存 在横跨模口 202宽(边缘中心)的不大于50°C的一个热梯度。根据另一个具体实施方案， 横跨模口 202宽度的热梯度是更小的，这样它不大于约10°C，或甚至不大于约5°C。横跨模 口 202的热梯度的控制促进了一种质量单晶体的受控制的生长。
如在图2中所展示，坩埚201、模口 202、以及隔热屏239被配置在一个壳体222内。 如所展示的，壳体222可以包括多个层，典型地是绝缘层，它们可以促进壳体内的精确的温 度控制以及因此大型单晶体的受控制的生长。壳体222可以包括一个下部的内壳213、邻 近下部的内壳213的一个第一绝缘部分215、邻近第一绝缘部分215的一个第二绝缘部分 217、以及邻近第二绝缘部分217的一个外壳219。典型地，内壳213以及对应的壳体222内 的部件可以具有一种对称的外形，例如一种圆形或矩形截面的外形。构成绝缘层和壳体222内的部件的材料可以是特别设计的用于更强的加工控制。 例如，壳体部件可以是鉴于熔融物的构成而特别设计的，这样使得熔融物与壳体部件间的 潜在的化学相互作用是受控制的，促进了更大的更均勻的单晶体的生长。具体地，内壳典型 地是由一种耐火材料、特别是一种耐火陶瓷材料制成的。合适的耐火陶瓷具体地包括氧化 物类，例如氧化锆、氧化铝、以及硅石(例如石英)。根据一个实施方案，内壳是由氧化锆制 成的，并且特别地基本上是由氧化锆制成的。此类氧化物可以是特别合适的，由于它们在生 长环境内趋于不反应。关于第一绝缘部分215，典型地，第一绝缘部分被配置在邻近内壳213，并且具体 地与下部的内壳213的一个外表面直接接触。第一绝缘部分215可以包括一种耐火材料 (这种耐火材料可以是一种实心块材料、或结合了耐火材料的一种实心块材料)以及一种 高程度孔隙率(例如一种纤维的、海绵状的、或网状的)材料(例如像毡、陶渣、纤维、或一 种织物)。根据一个具体实施方案，第一绝缘部分215包括耐火陶瓷，例如氧化物类。例如， 合适的耐火氧化物包括氧化锆、氧化铝、以及硅石(例如石英)。根据一个具体实施方案，第 一绝缘部分215包括氧化锆，并且具体地是一种氧化锆陶渣。关于第二绝缘部分217，总体上第二绝缘部分217邻近第一绝缘部分215，并且具 体地与第一绝缘部分215直接接触。如同第一绝缘部分215，第二绝缘部分217可以包括一 种实心块材料，或可替代地可以结合一种具有高程度孔隙率的耐火材料。因此，第二绝缘部 分217总体上包括一种耐火材料，并且具体地是一种耐火陶瓷。这样，合适的耐火陶瓷可以 包括氧化物，例如氧化锆、氧化铝、以及硅石(例如石英)。根据一个具体实施方案，第二绝 缘部分217包括一种氧化铝毡。壳体222包括一个外壳219，它邻近第二绝缘部分217，并且具体地与第二绝缘部 分217直接接触。典型地，外壳219是限定了壳体222的外壁的一种固体材料。因此，外壳 219典型地包括一种耐火材料，例如一种耐火陶瓷(例如一种氧化物)。这样，合适的耐火 氧化物可以包括氧化锆、氧化铝、以及硅石(例如石英)。根据一个具体实施方案，外壳219 是一种石英材料，并且具体地是一个石英管。除了所述的部件外，壳体222还可以包括其他绝缘部分。如在图2中所展示，壳体222可以进一步包括坩埚201下面的一个绝缘部分221。因此，绝缘部分221典型地包括那 些在第一和第二绝缘部分215和217内所使用的材料。根据一个具体实施方案，绝缘部分 221包括一种氧化锆绝缘材料。如在图2中所进一步展示，壳体222可以包括多个绝缘底 板，值得注意地是一个第一绝缘板223、一个第二绝缘板225、以及一个第三绝缘板227。因 此，这些223、225以及227中的每一个可以包括与以上所描述的那些类似的耐火材料。如在图2中所展示的晶体生长装置200可以进一步包括一个上部230，上部230进 一步包括绝缘部分以提供合适的对于晶种211的隔离，晶种211是由一个拉出装置远离模 口 202的表面向上拉出的。因此，上部230可以包括一个外壳231，该外壳邻近内壳213但 是与内壳213分开。内壳213部分与上部230的外壳231之间的空间229允许外壳231向 上远离壳体222平移，这样使得晶种可以远离模口 202的表面被拉出。因此，上部230的外 壳231可以包括一种耐火材料，例如一种陶瓷，并且具体地是一种氧化物。合适的氧化物可 以包括氧化锆、氧 化铝、以及硅石(例如石英)。根据一个实施方案，上部230的外壳231是 一个氧化铝管。此外，除了外壳231外，上部230还可以进一步包括例如外绝缘层233的绝缘层。 外绝缘层233可以包括例如那些如上所述的绝缘材料，并且特别地可以包括耐火材料，例 如氧化物，像氧化铝、氧化锆、以及硅石。根据一个具体实施方案，绝缘层233是一种氧化铝 羊毛。参见图3，展示了一个坩埚301和一个模口 303的截面图。坩埚301包括一种熔 融物309以及配置在其中的模口 303。坩埚301和模口 303是特别地支持大的单晶体生长 的部件。具体地，模口 303包括一个处于底部的开口 304和一个毛细管305，该毛细管从模 口 303的开口 304延伸到模口 303内的一个内部空间。模口 303进一步包括一个成形通道 307，该成形通道从模口 303的一个顶表面延伸至模口 303内的一个内部空间，在这里它们 与毛细管305相通。因此，经过毛细管305和成形通道307，在模口 303的底表面与顶表面 之间形成了一个通道。如所展示的，熔融物309沿毛细管305向上延伸并且延伸到成形通 道307，这促进了包括熔融物309的组合物的一种单晶体本体的形成。毛细管305和成形通 道307的尺寸是特别设计的以促进一种大的单晶体本体的有效生长。图3展示了一个毛细管305，该毛细管具有从开口 304延伸至成形通道307的毛 细管高度00。同样展示的是毛细上升的高度(C；)，该高度被展示为毛细管305内的熔融 物309上升超出坩埚301内的熔融物309表面的距离。如以上所描述的，在熔融物的形成 过程中，该方法包括开始一个毛细上升(C,)，这促使了将熔融物309沿毛细管305向上移动 到成形通道307以引发晶体生长。模口 303内的毛细管305和成形通道307的外观设计获 得了一个合适的毛细上升(C；)用于大的单晶体的生长。总体上，毛细上升(C；)具有的高度 为不小于约10mm。在一些实施方案中，毛细上升的高度是更大的，例如不小于约15mm，或不 小于约20mm，或甚至不小于约25mm。然而，总体上毛细上升的距离是不大于约50mm。参见图4，根据一个实施方案展示了在一个模口内将可得到的一个成形通道403 和毛细管401的透视图。毛细管401和成形通道403的外形、尺寸以及材料促进了大型单 晶体的生长。事实上，这些特征促进了在生长过程中一个合适的初始毛细上升与一个合适 的毛细作用之间的一个平衡，并且因此促进了在用于使大型单晶体生长的延伸生长期间的 熔融物连续流动。更详细地，毛细管401具有对应地由w。、t。以及h。代表的宽度、厚度以及高度的尺寸。如在此使用的，术语“宽度”、“厚度”以及“高度”是如下使用的。宽度和厚度 是在相同平面中延伸的测量，并且基本上彼此垂直。除非另行说明，否则宽度大于厚度。高 度是在与由宽和厚所形成的平面垂直的平面内延伸的一个测量。根据一个具体实施方案，毛细管401具有由高度与厚度之比(h。 t。)所定义的一 个最初的毛细管之比，该比例促进了大的稀土硅酸盐单晶体的生长。总体上，最初的毛细管 之比(h。 t。)是不大于约100 1。根据另一个实施方案，最初的毛细管之比是不大于约 75 1，例如不大于约50 1，或不大于约20 1。根据一个实施方案，最初的毛细管之比 是在大约75 1到大约20 1之间的范围内。毛细管的高度(h。)支持了熔融物组合物的充足的初始毛细上升，同样促进了一个 特别的坩埚容积的利用以促进大的单晶体的生长。虽然熔融物的润湿行为可以取决于多种 因素而不同，这些因素包括温度和构成，已经发现，典型地不大于约50mm的毛细管高度是 合适的。在一个实施方案中，毛细管的高度是更小的，例如不大于约40mm，不大于约30mm， 或甚至不大于约25mm。典型地，毛细管高度是在大约IOmm与大约40mm之间的范围内。此外，毛细管401的厚度是特别设计的以与其他部件合并，并 且具有尺寸特征以 促进一种具体的熔融物材料的一个合适的毛细上升用于大型单晶体的生长。更具体地，毛 细管的厚度(t。)总体上是不大于约2mm。根据一个具体实施方案，毛细管的厚度是不大于 约1. 5mm，例如不大于约1mm，不大于约0. 8mm，或甚至不大于约0. 25mm。关于毛细管401的其他尺寸特征，毛细管401的宽度是特别设计的以与其他部件 联合工作以促进一种具体的熔融物材料的一个合适的毛细上升用于大型单晶体的生长。毛 细管401典型地具有不大于约500mm的宽度(W。)。根据另一个实施方案，宽度是不大于约 400mm，例如不大于约300mm，或甚至不大于约200mm。更具体地，毛细管401的宽度可以是 更小的，例如不大于约100mm，不大于约75mm，或甚至不大于约50mm。这样，在一个实施方案 中，毛细管401具有的宽度在大约IOmm与大约250mm之间的范围内。如在图4中所进一步展示，一个成形通道403被配置在毛细管401之上并且与毛 细管401相通。如同毛细管401，成形通道403具有一个高度(hs。)、一个厚度(ts。)、和一个 宽度(wJ。如在此所使用的，成形通道403的厚度(ts。)是在那个方向上的最大的测量值。 如根据毛细管401所描述的，成形通道403的构成、外形以及尺寸特征也有助于促进合适的 初始毛细上升，同时还在用于形成大型单晶体的延伸生长过程中维持了一种合适的连续的 熔融物流动。具体地，成形通道403的厚度(tj总体上是不小于约1mm。更典型地，厚度是更 大的，这样成形通道403具有的厚度(ts。)为不小于约2mm，例如不小于约3mm、或约4mm，或 甚至不小于约5mm。不过，成形通道403的厚度(ts。)是受限制的，以使它典型地是不大于 约30mm，并且典型地在大约3mm与大约30mm之间的范围内，并且更特别地在大约4mm与大 约15mm之间的范围内。成形通道403的高度(hj总体上是不大于约10mm。在一个实施方案中，高度(hsc) 是不大于约8mm，例如不大于约5mm，或甚至不大于约2mm。典型地，成形通道403的高度 (hsc)是在大约0. 5mm与大约IOmm之间的范围内。成形通道403的宽度(Wsc)总体上是不小于约5mm。在一个实施方案中，宽度(Wsc) 是更大的，例如不小于约10mm，例如不小于约20mm，或甚至不小于约50mm。典型地，成形通道403的宽度(wj是在大约IOmm与大约250mm之间的范围内。虽然将会理解的是，在图4中毛细管401和成形通道403被展示出具有一种基本 上矩形的由对应的尺寸所限定的截面的外形，但是其他对称的或不对称的多边形外形是可 以形成的。具体地，成形通道403可以具有其他外形，例如一种圆形截面的外形、或甚至限 定了一个外部范围和放在外部范围内的一个“岛”的适合用于形成具有空心部分的单一结 晶形状的一种外形(例如一个管)。参见图5，根据一个实施方案展示了一个毛细管501和一个成形通道 503的截面 图。已经设计了成形通道503的特殊外形以促进大型单晶体的生长。如同以上所描述的 其他特征，鉴于其他部件的特征，外形是特别设计的。例如，取决于坩埚和毛细管的外观设 计，成形通道的外形可以是变化的这样使得熔融物被定位在成形通道内的合适深度以引起 膜形成和生长，连同促进了熔融物流到成形通道的边缘用于形成大型单晶体本体。在此实 施方案中，成形通道503包括延伸遍及成形通道503的高度(hs。)的楔形侧。成形通道503 的这些楔形侧在毛细管501的侧面与成形通道503的边之间限定了一个角505。总体上，角 505典型地是不小于约90°。根据一个实施方案，角505是不小于约110°，例如不小于约 120°，或甚至不小于约130°。根据另一个实施方案，角505典型地是不大于约180°。此 夕卜，在成形通道503与毛细管501之间限定的角505总体上是在大约110°与大约170°之 间的范围内并且更特别地是在大约130°与大约160°之间的范围内。替代的实施方案可以利用一个具有弯曲侧面(例如像以一种凹的或凸起的方式 从毛细管延伸的侧面)的成形通道。在一个具体实施方案中，成形通道是这样定型的使得 侧面具有一个凸曲率，当熔融物上升到毛细管外和上升到成形通道中时在宽度上提供了小 的逐渐递增变化。参见图6，根据一个具体实施方案展示了 一个毛细管601和一个成形通道 603的截面图。如所展示的，成形通道603具有的侧面具有一个凸曲率。总体上，成形通道 603具有的侧面具有限定曲率605的半径为不大于约IOOmm的一个凸曲率。根据其他实施 方案，曲率605的半径可以是更小的，例如不大于约75mm，或不大于约50mm，或甚至不大于 约 25mm。使用以上所描述的方法和装置可以生成大的稀土硅酸盐单结晶形式和外形。图7 展示了具有一个本体部分701和一个颈部703的一种单结晶体700。总体上，颈部703是成 形方法的一个结果并且不用作用于“收获”生成态单晶体的一个部分。然而，本体部分701 典型地是生成态单晶体被使用的部分，例如用于形成闪烁体晶体。如所展示的，本体701具 有一种由一个长度(1)、一个宽度(w)、和一个厚度(t)限定的基本上矩形的外形。在具有一 种基本上矩形的外形的单结晶体的情况下，垂直于长度所测量(即例如宽度和厚度的两个 最短尺寸的测量)的本体的截面面积总体上是不小于约16mm2。根据另一个实施方案，本体 的截面面积是更大的，例如不小于约25mm2，或不小于约50mm2，或不小于约100mm2，或甚至 不小于约400mm2。总体上，本体的截面面积是在大约50mm2与大约IOOOmm2之间的范围内。进一步关于生成态单晶体本体的尺寸，总体上，厚度是不小于约4mm。根据一个具 体实施方案，厚度可以是更大的，例如不小于约6mm，或不小于8mm，或甚至不小于约10mm。 不过，此类单晶体本体的厚度是受限制的使得它典型地是不大于约50mm。此外，此类单结晶体的宽度总体上是不小于约4mm，这样使得这些晶体可以具有一 种正方形截面的外形。然而，一些实施方案预期使一种具有一种更大矩形尺寸的单结晶体生长，并且因此宽度可以是更大的，例如不小于约10mm，或不小于约20mm，不小于约50mm， 或甚至不小于约100mm。不过，此类单晶体的宽度总体上是不大于约250mm。进一步关于图7，使用在此提供的装置和方法而生成的大的稀土硅酸盐单晶体典 型地具有的长度为不大于约125mm。不过，该长度可以是更大的，这样它不小于约200mm，或 不小于约300mm，或甚至不小于约500mm。不过，此 类单晶体本体的长度是受限制的使得它 在大约200mm与大约IOOOmm之间的范围内。将会注意到的是，Czochralski生成的单晶体在它们的几何学上是受限制的，形成 圆柱形晶锭形状并且总体上具有一个长度和一个直径。虽然本披露的单晶体本体不是这么 受限制的，某些单晶体本体可以具有助益于某些应用的特别设计的尺寸，特别是那些生长 为一个单晶体材料片的单晶体本体。这些片具有一种矩形截面的形状，其中厚度小于宽度 并且宽度小于长度(t < w < 1)。在单晶体片的情况下，总体上厚度是不大于约宽度测量的 80%。在其他实施方案中，厚度是更小的，例如不大于约宽度测量的50%，例如不大于约宽 度测量的30%。不像Czochralski生成的单晶体，一种单晶体片的形成减少了后形成加工 并且减少了浪费，特别是在提出用作闪烁体像素的更小单晶体的情况下。参见图8，展示了一种圆柱形的、并且特别地一种管形的单结晶体800。如代表性 的箭头所展示的，单结晶体800具有一个长度(1)、一个直径(d)和一个厚度(t)。将会理 解的是，这样的一种单结晶体800的长度可与在此提供的其他单结晶体的长度相比(不考 虑外形)。此外，在图8中所提供的单结晶体800的直径也可与在此描述的其他单结晶体的 宽度相当。单结晶体800的厚度可与根据在此提供的其他单结晶体所述的厚度相比。将会 理解的是，虽然单结晶体800被展示为一种管形体，根据在此的实施方案，没有空心中心的 像杆的或圆柱形的晶体也是可以形成的。此外，将会理解的是，在此描述的方法和部件组合可以允许多个晶体的同时生长。 那就是，可以在一个坩埚内提供多于一个模口(每一个具有一个毛细管和成形通道)，这样 使得多个晶体可以在一个坩埚内自原料通过多个模口同时进行生长。关于稀土硅酸盐单晶体的构成，如先前所描述的，虽然这些晶体可以包括不同的 稀土元素，这些晶体典型地是一种硅酸镥(LSO)。此外，所形成的单晶体总体上是稀土原硅 酸盐类或稀土焦硅酸盐类，除了 Lu外，具体地还包括Y、Ce、以及Gd的至少一种。这样，在此 形成的稀土原硅酸盐单晶体可以由通式Lu2_(a+b+。)YaCebGd。Si05来描述，其中各组分“a”、“b” 和“C”的摩尔分数如下0彡a彡2，0彡b彡0. 2，并且0彡c彡2。根据另一个实施方案， 各组分“a”、“b”和“C”的摩尔分数如下0彡a彡1，0彡b彡0.02，并且0彡c彡0.01。 不过，另一个具体实施方案利用的各组分“a”、“b”和“C”的摩尔分数如下0彡a彡2， 0彡b彡0. 02，并且c = 0。此夕卜，在此形成的稀土焦硅酸盐单晶体可以由通式1^2__+。)1(^(1力07来描述， 其中根据一个实施方案，各组分“a”、“b”和“C”的摩尔分数如下0彡a彡2，0彡b彡1，并且 0彡c彡2。在一个更具体的实施方案中，组分“a”、“b”和“C”在0彡a彡1、0彡b彡0. 2、 并且0 < c < 0. 01的范围内。这样，总体上稀土硅酸盐单晶体具有一种单斜晶的晶格结构。 根据一个具体实施方案，单晶体具有一种具体是空间群C2/c n° 15的单斜晶的晶格结构。通过根据在此的实施方案Ere生长的稀土硅酸盐单晶体以及具体的在此的掺杂 的稀土硅酸盐单晶体与其他单晶体不同。那就是，在此提供的Ere生长的单晶体可以比使用其他方法(例如通过一种Czochralski方法)生长的单晶体更均勻。特殊的ETO生长的 单晶体的均质性的控制部分地归因于某些种类从熔融物转入形成的晶体的减小的偏析。值 得注意地，在通过一种Czochralski方法生成的稀土硅酸盐单晶体的情况下，某些掺杂剂 种类(例如像铈(Ce))在生长过程中基本上是偏析的，这样使得不能控制此类掺杂剂遍及 晶体体积的存在。所公认的是，Czochralski生成的单晶体显示出相对于某些掺杂剂种类的一个 浓度梯度，并且已经确定了相对于某些种类(即Ce)的一个偏析系数。偏析系数是晶体 内种类的量相比较于熔融物内的种类的量之间的比例的一个测量。已经确定的是，在一 种Czochralski生成的单晶体内对于Ce的偏析系数是大约0. 25。一个0. 25的偏析系数 表明在Czochralski生成的单晶体内Ce优选停留在熔融物内。某些种类在熔融物内优 先的偏析导致了在掺杂剂浓度上沿一种Czochralski生成的晶锭长的一个梯度。对于在 Czochralski生成的单晶体中的某些种类(特别地是关键的掺杂剂种类，例如铈)的偏析的 无力控制导致了具有不一致特性(特别是闪烁特性)的晶体的形成。在掺杂剂浓度上的梯度可以归因于某些参数，包括同体积和质量相关的从熔融物 生成的晶体分数、以及熔融物内的掺杂剂的初始量。在用于工业应用而生成的单晶体的情 况下，晶体的大小是趋于大的，例如具有至少约IOOmm的长度和至少约16mm的半径(宽度) 的晶体。此外，用于形成晶体的熔融物的量(即晶体分数)趋于是至少40% (如果不是更 大的)，并且加入到此类晶体中的铈的初始量总体上是不大于约0. 5mol%。在此提供的Ere形成的单晶体具有增加的均质性以及一个更显著的相对于Ce的 低浓度梯度，特别是在至少具有以上提到的参数的用于工业应用而生成的大型单晶体的情 况下。根据一个具体实施方案，ER；形成的单晶体可以具有一个不大于约1.0Χ10_4πιΟ1% / mm的铈浓度梯度，该浓度梯度是沿着晶体的长度(代表最初生长方法)来测量的。“最初生 长方向”包括与生成态晶体本体的长度相联系的晶体尺寸，在图7和8中展示为长“1”，另 外典型地是生成态晶体的最大尺寸。在另一个实施方案中，铈浓度梯度可以是更小的，例如 不大于约5. 0 X 10_5mol % /mm,或甚至不大于约1. 0 X 10_5mol % /mm。在一个具体实施方案 中，在最初生长方向中经晶体的长度的在铈浓度上的平均变化基本上是零。通过对比，Czochralski生成的单晶体(特别是至少具有以上提到的参数的用于 工业应用而生成的那些)显示出一个典型地大于约1.5X10_4mol%/mm的浓度梯度。例 如参见 M.A. Spurrier 等人的 “The Effect of Co-Doping on theGrowth Stability and Scintillation Properties of LSO -.Ce", 15th InternationalConference on Crystal Growth, August 2007。更典型地，在Czochralski生成的单晶体晶锭的情况下，浓度梯度总 体上是更大的。大的高度均勻的单晶体本体的生长促进了更小的晶体从更大的单晶体本体提取出，其中更小的晶体具有相同程度的构成均质性。此类被提取出的更小的单晶体本体可以 具有对于用于闪烁应用合适的尺寸，例如在正电子放射断层摄影术中的像素。例如，所提取 出的更小的单晶体本体可以具有一个大致上矩形的形状，该晶体所具有的垂直于长度所测 量的截面面积为不大于约10mm2。在其他实施方案中，可以提取出更小的单晶体本体，例如 具有不大于约8mm2、或甚至不大于约6mm2的截面面积的单晶体本体。不过，截面面积典型 地是不小于约2mm2。具体地，不像其他生长方法，由于生成态晶体在所有方向上的高构成均质性，所提取出的更小的单晶体能够以这样的一种方式被提取出，使得更小的晶体的长度 是基本上沿着最初生长方向延伸的一个尺寸。图9包括具有一个本体部分901和一个颈部902的一种生成态ETO单晶体900的 图示。单晶体本体901具有的尺寸为厚度“t”、宽度 ”以及长度“1”，其中厚度彡宽度彡 长度。在一个具体实施方案中，单晶体本体可以处于一个片的形式，该片具有一种大致上矩 形的形状并且具有在此所描述的尺寸。该单晶体本体901可以包括一个第一端921和一个 第二端922，这两端由等于单晶体本体901的长度“1”的一段距离分隔。这些尺寸中的每一 个可以与在此描述的其他大的生成态单晶体本体的尺寸相同。值得注意地，单晶体本体901包括这样一种有目的地设计的非均勻的构成 ，使得 沿单晶体本体长度“1”的构成是有意地变化的。总体上，沿单晶体本体长度“1”的构成可 以是变化的，这样使得从单晶体本体901的第一端921到本体901的第二端922的构成变 化了不小于约一种元素。这样的一个过程可以通过一种连续进料操作来促进，其中在单晶 体本体901的形成过程中，坩埚内熔融物的构成是变化的，这样使得至少一种新的元素、或 甚至一种完全不同的组合物可以被加入到坩埚中以形成一种沿长度“1”具有两种不同的组 合物的非均勻的单晶体本体901。图9进一步包括从大的生成态稀土硅酸盐单晶体本体901提出的一种稀土硅酸盐 单晶体本体910的图示。更小的单晶体本体910具有一个厚度“t”、一个宽度“W”和一个长 度“1”，其中厚度《宽度<长度。总体上，单晶体本体910具有更小的尺寸，这样单晶体本体 910具有的垂直于长度“1”的截面面积(即厚度X宽度)为不大于约16mm2。在其他实施 方案中，截面面积可以是更小的，例如不大于约10mm2，例如不大于约8mm2，或甚至不大于约 6mm2。不过，截面面积典型地是不小于约2mm2。单晶体本体910可以包括一个第一端903和一个第二端905，其中第一端903和第 二端905大致上是由该晶体本体的长度“1”来分隔的。具体地，根据一个实施方案，更小的 单晶体本体910的长“1”与生成态单晶体本体901的长“1”相联系，并且因此代表了最初 生长方向。在一个实施方案中，更小的单晶体本体910具有不小于约8mm的长度“1”。在另 一个实施方案中，单晶体本体910的长度“1”是不小于约15mm，例如不小于约20mm，不小于 约30mm，或甚至不小于约40mm。不过，所提取出的单晶体本体910的长总体上是不大于约 IOOmm0由于单晶体本体910是从更大的生成态单晶体本体901提取出的，单晶体本体910 在沿长度“ 1 ”的构成上可以具有一种有意设计的变化。在一个实施方案中，在第二端905处 的组合物与在第一端903处的单晶体本体910的组合物相比相差不小于一种元素。例如， 在第一端903处的稀土硅酸盐单晶体组合物可以包括一种单晶体硅酸盐材料，例如硅酸镥 (LSO)、硅酸钇(YSO)、以及硅酸钆(GSO)，然而在第二端905处的单晶体本体910的组合物 可以包括一种具有至少一种不同元素的硅酸盐材料。因此，单晶体本体910可以包括一种 有意设计的非均勻的构成，例如LS0/LYS0(即LSO在第一端/LYSO在第二端)。元素上的差 别可以包括一种掺杂剂的加入。一些合适的掺杂剂可以包括例如钇或铈、或它们的一个组 合。因此，在一个具体实施方案中，在第一端903处的组合物可以实质上是LS0，并且在第二 端905处的组合物可以实质上是LYS0，因此形成了具有一种LS0/LYS0构成的一种非均勻单 晶体。
总体上，在这些使用一种掺杂剂的实施方案中，掺杂剂浓度是不大于约30mol%。 在其他实施方案中，掺杂剂浓度是更小的，例如不大于约15mol%，例如不大于约10mol%， 或甚至不大于约5mol %。在具有一种LS0/LYS0构成的一种非均勻单晶体的具体情况下，在 第二端905处的掺杂剂是钇，并且它能够以在大约5mol%与大约15mol %之间的范围内的
量存在。不过，某些其他实施方案可以具有有意地设计的其他掺杂剂浓度，例如能够以具 体量存在的铈。例如，晶体本体910的第一端903可以包括一种铈活化的单晶体硅酸盐材 料，并且晶体本体910的第二端905可以包括具有一种不同组合物的一种铈活化的单晶体 硅酸盐材料，在第二端905处的单晶体的组合物与在第一端903处的单晶体的组合物相差 至少一种元素。在铈活化的硅酸盐材料的情况下，硅酸盐材料内的铈的浓度可以是特别低 的，例如不大于约5mol%。在其他铈活化的硅酸盐材料中，铈浓度是不大于约2mol%，或不 大于约Imol %，或甚至不大于约0. Imol %。例如，在一个具体实施方案中，晶体本体910的 第一端903可以包括铈活化的LSO (Ce LS0)，并且晶体本体910的第二端905可以包括铈活 化的 LYSO (Ce LYS0)。此外，在铈活化的硅酸盐材料的情况下，从单晶体本体910的第一端903到单晶体 本体910的第二端905的铈浓度差可以是这样设计的使得存在的差别不小于约0. lmol%。 其他的实施方案可以具有更大的差别，例如不小于约0. 5mol %，例如不小于约Imol %，或 甚至不小于约2mol %。总体上，差别是不大于约2mol %。单晶体本体910展示了具有一种第一硅酸盐组合物的一个顶部907以及具有一种 相差至少一种元素的不同的硅酸盐组合物的一个底部909。虽然顶部907和底部909被展 示为在体积上基本相同，在其他实施方案中，具有不同组合物的单晶体内的多个部分的体 积是可以控制的。例如，在一个实施方案中，顶部907具有的体积为不大于约底部909体 积的90%。在其他实施方案中，顶部具有的体积比底部909为不大于约75%、或不大于约 50%、或不大于约25%。将会理解的是，在体积上的这些差别是可以这样逆转的，使得底部 909具有顶部907体积的一个分数。图10包括根据一个实施方案的具有一个本体部分1001和一个颈部1003的一种生成态稀土硅酸盐Ere单晶体1000的图示。稀土硅酸盐单晶体本体IOOi可以包括例如硅 酸镥(LSO)、硅酸钇(YSO)、硅酸钆(GSO)、以及硅酸钪(SSO)、或它们的任意组合的硅酸盐材 料。除了硅酸盐材料外，稀土硅酸盐单晶体本体1001还可以包括镱(Yb)。根据一个实施方 案，该单晶体本体包括不大于约20mol%的Yb。在另一个实施方案中，该单晶体本体包括不 大于约15mol%的Yb，例如不大于约IOmol %的Yb，或甚至不大于约8mol%的Yb。典型地， 该单晶体本体包括不小于约0. lmol%的Yb。此类具有一个特殊浓度的Yb的晶体可以总体 上用于非闪烁体应用，例如光学应用，并且更具体的用于激光。单晶体本体部分1001包括厚度“t”、宽度“W”、以及长度“1”尺寸，其中厚度<宽 度<长度。这些尺寸中的每一个可以与在此描述的其他生成态单晶体本体的尺寸相同。此 夕卜，在一个具体实施方案中，单晶体本体形成为一个片，该片具有一种矩形截面的形状并且 具有在此所描述的尺寸。值得注意地，此类大的稀土硅酸盐单晶体的形成是通过使用在此 所述的特殊装置和方法来促进的。此外，更小的单晶体可以从单晶体本体部分1001来提取出。此类更小的单晶体同样可以包括厚度“t”、宽度“w”、以及长度“1”尺寸，其中厚度彡宽度彡长度。这样，在一个 实施方案中，更小的单晶体本体可以具有垂直于晶体长度的不小于约2mm2的截面面积。在 其他实施方案中，该截面面积是更大的，例如不小于约4mm2，或不小于约6mm2，或甚至不小 于约10mm2。总体上，更小的所提出的单晶体本体具有不大于约16mm2的截面面积。实例1形成了具有以下构成LUfAnCeu-SiC^的一种稀土硅酸盐单晶体，该单晶体具 有一种基本上矩形截面的外形，该外形具有的尺寸为5mmX 27mmX 203mm(厚度X宽度X 长度)。坩埚具有35mm的高度和80mm的直径。成形通道具有5mm的厚度、27mm的宽度、 以及1.3mm的高度，在毛细管与成形通道的楔形侧之间具有一个120°的角。毛细管具有 0. 5mm的厚度、27mm的宽度、以及40mm的高度。以下方法流程被用于形成这样的一种晶体。a.将750g从通过一种Czochralski方法形成的一种LYS0晶体得到的LYS0原料 (掺杂了 Ce的LUl.8YQ.2Si05)冷装入坩埚。b.将晶体生长腔室在20SCFH氩和0. 1SCFH氧下吹扫1小时。c.将功率打开至50kW供应。d.以每分钟0.05%的速率将功率斜坡调至一个2050°C的温度设定点。e.将温度(TJ手动调节直到观察到熔化为止。f.将温度从Tm手动调节至Tm+20°C。g.将一个晶种放低并且将该晶种在一个中点处接触在模口内的熔融物表面。h.将温度调节至一个引晶温度(Ts)并且在晶种与熔融物表面之间形成一个1mm 高的液体膜。i.开始将晶体以5mm/hr从熔融物表面拉出。j.使晶体的颈生长5mm的高度并且关于一个均勻的截面和结晶质量来观察晶体。k.将温度调节至扩展温度(Tsp)以允许晶体扩展到成形通道的边缘。1.将温度调节以维持沿该膜长度的大约0. 3mm的平均液体膜高度，同时使晶体本 体以5mm/hr生长。m.使晶体本体生长到203mm的高度。n.将拉出速率增加至1000mm/hr以拉出不具有膜的晶体。o.通过将温度常数保持4小时来使晶体退火。p.当晶体高出模口 6mm时，开始以每分钟0.05%的速率斜坡调低机器直到输出功 率为0%为止。q.关上发电机并且在移开晶体之前允许机器冷却5小时。实例2形成了具有以下构成LUfAnCeu-SiC^的一种稀土硅酸盐单晶体，该单晶体具 有一种基本上矩形截面的外形，该外形具有的尺寸为5mmX102mmX 381mm(厚度X宽度X 长度)。坩埚具有24mm的高度和116mm的直径。成形通道具有5mm的厚度、102mm的宽度、 以及1.3mm的高度，在毛细管与成形通道的楔形侧之间具有一个120°的角。毛细管具有 0. 5mm的厚度、102mm的宽度、以及24mm的高度。以下方法流程被用于形成这样的一种晶体。a.将500g从通过一种Czochralski方法形成的一种LYS0晶体得到的LYS0原料 (掺杂了 Ce的LUl.8YQ.2Si05)冷装入坩埚。
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b.将晶体生长腔室在20SCFH氩和0. 1SCFH氧下吹扫1小时。c.将功率打开至50kW供应。d.以每分钟0.05%的速率将功率斜坡调至一个2050°C的温度设定点。e.将温度(TJ手动调节直到观察到熔化为止。f.将温度从Tm手动调节至Tm+20°C。g.将一个晶种放低并且将该晶种在一个中点处接触在模口内的熔融物表面。h.将温度调节至一个引晶温度(Ts)并且在晶种与熔融物表面之间形成一个1mm 高的液体膜。i.开始将晶体以5mm/hr从熔融物表面拉出。j.使晶体的颈生长5mm的高度并且关于一个均勻的截面和结晶质量来观察晶体。k.将温度调节至扩展温度(Tsp)以允许晶体扩展到成形通道的边缘。1.向进料系统供能以将相同的LYS0原料粉末以1. 6g/min的速率传送至坩埚，并 且将温度调节以维持沿生长晶体宽度的大约0. 3mm的平均液体膜高度。m.将温度调节以维持沿该膜长度的大约0. 3mm的平均液体膜高度，同时使晶体本 体以5mm/hr生长。n.使晶体本体生长到304mm的高度。o.将拉出速率增加至1000mm/hr以拉出不具有膜的晶体。p.通过将温度常数保持4小时来使晶体退火。q.当晶体高出模口 6mm时，开始以每分钟0. 05%的速率斜坡调低机器直到输出功 率为0%为止。r.关上发电机并且在移开晶体之前允许机器冷却10小时。虽然已经通过ER；形成了稀土硅酸盐单晶体(参见W02005/042812)，这些晶体在 构成和大小上是受限制的，使得它们在商业应用中的应用是不太合适的。此外，本发明的发 明人已经克服了形成商业上可行的稀土硅酸盐的重大障碍。值得注意地，通过Ere形成此 类大的稀土硅酸盐单晶体要求对方法和装置的非预期改变，这些改变要不然会是违反直觉 的，例如生长腔室内的某些特征的尺寸减小用于改进的工艺稳定性和单晶体的构成控制。 例如，如在W0 2005/042812中所披露的，在从稀土硅酸盐类的小的、实验室大小的ETO生长 的迁移中，发现毛细管厚度需要显著减小，结合了受控制的坩埚深度(根据在此的实施方 案)。通过进一步举例，某些实施方案使用一个特殊的晶体质量比熔融物质量的质量之比、 加工环境(例如一种受控制的氧分压)、以及特殊的含氧化物的壳体材料。这些参数减小了 经升华的不需要的材料损失以及构成转变。除了其他特征(例如连续供料)外，构成转变 的额外控制也促进了大型高度均勻单晶体材料的形成，但是还促进了沿晶体的长度具有不 同组合物的大型非均勻复合单晶体的形成。因此，在此提供的晶体、装置、以及方法证明是不同于现有技术。在此的实施方案 结合了多种要素的一个组合，这些要素包括一种EFG方法以及一种ER；装置，该装置利用适 合用于熔化并且形成一种稀土硅酸盐单晶体的特殊的组分、材料以及外观设计。值得注意 地，Ere装置包括一个坩埚和一个模口安排，该模口包括一个毛细管和成形通道(利用包括 材料、尺寸、以及外观设计的多个特征的一种组合)。此外，由于使用Ere法具体种类在形成 过程中的偏析相对于Czochralski法是更容易控制的，EFG法的利用促进了具有更均勻构成的稀土硅酸盐单晶体的形成。在根据在此的实施方案形成的单晶体稀土硅酸盐的具体情 况下，此类晶体具有合适的构成和质量用于多种应用(例如闪烁体)，并且所生产的此类晶 体具有改进的可加工性以及有限的后生长机械加工和制备。将会理解的是，在此描述的晶体可以用于多种应用。对于此类晶体的特别有用的 应用总体上包括检测应用，范围从工业场所到更为科学上的场所(例如科研和医疗领域)。 例如，一些检测应用包括特殊颗粒或辐射(例如射线或正电子发射)的检测。医疗行业内的 特殊的检测应用可以包括断层摄影术扫描系统(tomography scanner systems)(即CT扫 描)或放射性药品应用。一些设计的非均勻单晶体可以在检测领域具有更特别的用途，例 如像在具有交互深度(cbpth of interaction) (D0I)能力的高分辨研究断层摄影术(Hig h Resolution Research Tomography) (HRRT)中。不过，在此描述的一些单晶体材料更适合用 于非闪烁应用。一种这样的非闪烁应用包括光学，并且更具体地是单晶体在激光应用中的 用途。虽然已经在具体实施方案的背景中展示并说明了本发明，它并非旨在限制所示出 的细节，因为无需以任何方式背离本发明的范围即可以进行不同的变更和代换。例如，可以 提供附加的或等效的替代物并且可以使用附加的或等效的生产步骤。这样，本领域的普通 技术人员使用不超出常规的实验就可以想出对于在此披露的本发明的进一步的变更以及 等效物，并且应当认为所有此类的变更和等效物都是在由以下权利要求所定义的本发明的 范围之内。
权利要求
一种晶体，包括一种限边送膜生长(EFG)的闪烁体单晶体，该闪烁体单晶体具有一个本体，该本体具有一个厚度、一个宽度、和一个长度，其中厚度＜宽度＜长度，该本体具有的垂直于该长度的截面面积为不小于约16mm2。
2.如权利要求1所述的晶体，其中该本体的截面面积为不小于约25mm2。
3.如权利要求1或2所述的晶体，其中该单晶体本体的宽度为不小于约4mm。
4.如权利要求1、2或3所述的晶体，其中该单晶体包括一种稀土硅酸盐。
5.如权利要求4所述的晶体，其中该稀土硅酸盐包括选自下组元素的至少一种元素， 该组的构成为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、以及 Lu。
6.如权利要求5所述的晶体，其中该稀土硅酸盐具有以下通式LU2_(a+b+。)YaCebGd。Si05， 其中0彡a彡2，0彡b彡0. 2，并且0彡c彡2。
7.一种形成单晶体的方法，包括在一个模口的一个毛细管和一个成形通道内提供一种熔融物，该模口配置在包含该熔 融物的一个坩埚内，该熔融物在该坩埚内限定了一个熔融物表面；并且从该模口的成形通道中自该熔融物中拉出一个闪烁体单晶体，该单晶体具有一个本 体，该本体具有一个厚度、一个宽度、和一个长度，其中厚度<宽度<长度，该本体具有的垂 直于该长度的截面面积为不小于约16mm2。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括在拉出该单晶体之前在该毛细管内开始一个 毛细上升，其中该毛细上升具有的高度比在该坩埚内的熔融物表面高出不小于约5mm。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中该毛细管具有一个厚度、一个宽度、和一个高度， 其中厚度<宽度<高度，其中该毛细管高度为不大于约50mm，并且该毛细管的厚度为不大 于约2mm。
10.如权利要求7、8或9所述的方法，其中该闪烁体单晶体的拉出包括使一个晶种接触 在该成形通道内熔融物的一个表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中该闪烁体单晶体的拉出包括在将该晶种接触该 熔融物表面之后将熔融温度(TJ变成一个引晶温度(Ts)以便在该熔融物之上并且在该晶 种之下形成一个液体膜。
12.如权利要求7、8、9或10所述的方法，其中在拉出过程中该晶种不旋转。
13.一种闪烁体单晶体，包括一种稀土硅酸盐闪烁体单晶体，该闪烁体单晶体包括一个本体，该本体具有一个厚度、 一个宽度、和一个长度，其中厚度<宽度<长度，该本体具有一个第一端和一个第二端，该 第二端与该第一端以该本体的长度相分隔，其中该第一端包括一种第一组合物，并且该第 二端包括一种第二组合物，该第二组合物与该第一组合物相差不少于一种元素。
14.如权利要求13所述的闪烁体单晶体，其中该第一组合物包括选自下组硅酸盐的一 种硅酸盐材料，该组的构成为硅酸镥(LS0)、硅酸钇(YS0)、以及硅酸 钆(GS0)。
15.如权利要求13或14所述的闪烁体单晶体，其中该第二组合物包括一种掺杂的硅酸 盐材料，其中的掺杂剂可以包括Y或Ce、或它们的一个组合。
全文摘要
在此提供了一种闪烁体晶体以及用于生长闪烁体晶体的一种方法，该晶体包括一种生成态的限边送膜生长(EFG)的单晶体。该生成态EFG单晶体具有一个本体，该本体具有厚度、宽度、和长度使得厚度＜宽度＜长度，并且该本体具有的垂直于该长度的截面积为不小于约16mm2。
文档编号C30B29/34GK101835927SQ200880112517
公开日2010年9月15日 申请日期2008年10月22日 优先权日2007年10月23日
发明者C·D·琼斯, D·鲍威尔斯, J·W·罗契, S·A·扎内拉, V·塔塔特切科 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司