一种快速生长掺杂Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)晶体的技术方法

专利名称：一种快速生长掺杂Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)晶体的技术方法
技术领域：
本发明专利属于人工晶体材料领域，是一种快速生长掺杂Bi4Ge3O12(BGO)晶体的技术方法。
背景技术：
锗酸铋(Bi4Ge3O12,BG0)是一种闪烁晶体，无色透明。BGO的发光性质与它的晶体结构密切相关。BGO晶体属立方晶系,与天然矿物Bi4Si3O12闪秘矿型结构相同。每个晶胞中有4个Bi4Ge3O12分子。Bi3+由6个GeO4四面体包围，最邻近配位于畸变的氧八面体之中。最邻近的B1-O键长分别为O. 219和O. 267nm。Bi3+是一种次过渡族的满壳离子，具有6s2的电 子构型，自由Bi3+和在晶格场中的Bi3+离子的电子能级包括基态和激发态。由于Bi3+在BGO中静电和自旋轨道的相互作用，基态和激发态之间的分离减小，可能的吸收跃迁是1Stl — 3P1和1Stl — 1P10 Bi3+具有C3对称性，1S0-3P0能级分离变小，这种跃迁被禁止。当Bi3+处于3P1和1P1激发态时，由于1P1态通过非辐射跃迁(热平衡)迅速进入3Pl态，致使Bi3+的发射谱为
P1 — S0O二十世纪七十年代，科学家M. J. Weber和R. R. Monchamp把BGO作为固体激光工作物质研究它的光谱性质，发现了 BGO在光和X射线辐照下，在室温下有很强的发光性质。结合着BGO具有高有效原子数(即对射线的高阻挡本领)和其他优良的物理化学性质，并且不潮解，他们预言了 BGO作为新一代闪烁晶体的应用前景(所谓闪烁晶体，即在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能变为光能而发出荧光的晶体)。当一定能量的电子、Y射线或重带电粒子进入BGO时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子、Y射线等的能量和位置。闪烁晶体在核医学、高能物理、核技术、空间物理及石油勘探等领域具有广泛的应用。在闪烁晶体各项性能参数中，密度、光输出与响应时间等项比较重要。由于入射的是高能粒子，晶体的密度越大越好，如此需求的晶体厚度就会变小，从而易于生长。由于BGO密度大,光输出、响应时间都比较合适,故BGO成为重要的闪烁晶体。对BGO晶体进行掺杂，还可改善它的闪烁或其他性能。BGO晶体通常采用熔体法生长，常见的有坩埚下降法等。但坩埚下降法等生长方法费时费力，而且还需要昂贵的钼金坩埚等。

发明内容
本发明的目的是提供一种应用光浮区法生长掺杂Bi4Ge3O12(BGO)晶体的技术方法，低成本、高效、快速地生长掺杂Bi4Ge3O12 (BGO)晶体，。
本发明的基础是一般情况下，光浮区法的生长速度比较快，有利于缩短普通晶体的探索、研究周期并加快难以生长晶体的研究进程，被广泛用于难熔高温氧化物和金属间化合物晶体生长。光浮区法可以称为是一种新型的为新晶体探索而研制的快速晶体生长方法。由于BGO熔体粘度小，故用光浮区法生长(掺杂)BGO晶体较难。
用光浮区法生长晶体，首先要制作原料棒，原料棒制作流程如图1所示，生长装置如图2和图3所示。生长时首先在籽晶与料棒之间形成一熔区，然后在籽晶、料棒一起(相反方向)旋转的情况下移动加热源，使熔区自下而上移动，完成单晶生长。该方法中，熔区的稳定性是非常重要的。在悬浮区中必须使熔区稳定而不塌落。熔区的稳定是靠表面张力与重力的平衡来保持，表面张力指向熔体方向，使熔体区维持稳定和保持外形，而重力引起熔区塌落。熔区稳定条件与生长的材料性质及设备等密切相关。浮区法生长晶体要求材料要有较大的表面张力和较小的熔态密度。此外，浮区法的优点是不需要坩埚、熔体仅与其本身的固体接触，污染可以降至最低限度。因此，特别适宜那些在熔点温度时具有非常强的溶解能力或反应活性的材料。由于浮区法生长点小，又没有坩锅等阻挡，可方便地加装摄像装置，故浮区法的生长过程容易观察。本发明具体的实施方案和技术解决方案如下
技术方案一、在IS气(Ar)气氛中生长掺杂的BGO晶体
用浮区法生长掺杂的BGO晶体通常要在惰性气氛下进行，生长气氛常选择氩气。具体 的生长工艺参数如下
<1>在氩气(Ar)气氛中生长f 2mol%Al (相对于Bi)掺杂的BGO晶体在氩气气氛下生长，保护气流量为O. 4^0. 6L/min。生长速度范围为10. 0(Tl3. 00mm/h,送棒速度范围为1. 0(T2. 50mm/h。较优生长速度范围为10. 5(Tll. 50mm/h，最优生长速度范围为 10. 80 11· 30 mm/ho<2>在氩气(Ar)气氛中生长I 2mol%Mg (相对于Bi)掺杂的BGO晶体
在氩气气氛下生长，保护气流量为O. 4^0. 6L/min。生长速度范围为11. 0(Tl3. 00mm/h,送棒速度范围为1. 0(T2. 50mm/h。较优生长速度范围为11. 5(Tl2. 50mm/h，最优生长速度范围为 11. 80 12· 00 mm/ho<3>在氩气(Ar)气氛中生长I 2mol%Ca (相对于Bi)掺杂的BGO晶体
在氩气气氛下生长，保护气流量为0. 4^0. 6L/min。生长速度范围为10. 0(Tl2. 50mm/h,送棒速度范围为1. 0(T2. 50mm/h。较优生长速度范围为10. 5(Tll. 50mm/h，最优生长速度范围为 10. 80 11· 20 mm/ho
技术方案二、在氮气(N2)气氛中生长掺杂的BGO晶体
用浮区法生长掺杂的BGO晶体也可在氮气气氛下进行。具体的生长工艺参数如下 保护气流量为0. Γ0. 6L/min。生长速度范围为10. 0(Tl2. 00mm/h，送棒速度范围为1.50 2. 50mm/h。较优生长速度范围为10. 50^11. 50mm/h，最优生长速度范围为10. 80^11. 30mm/h0


图1 :制备掺杂Bi4Ge3O12多晶原料棒的工艺流程图 图2 :光浮区法晶体生长炉内部 图3 :光浮区法晶体生长示意图
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。实施例1:在氩气(Ar)气氛中生长掺lmol%Al (相对于Bi)的BGO晶体
在氩气气氛中生长掺lmol%Al的BGO晶体，氩气流量为O. 5L/h，生长速度为10. OOmm/h，送棒速度为2. 00mm/h,生长出来的掺Al的BGO晶体质量良好。实施例2 :在氩气(Ar)气氛中生长掺lmol%Mg (相对于Bi)的BGO晶体
在氩气气氛中生长掺lmol%Mg的BGO晶体，氩气流量为O. 4L/h，生长速度为12. OOmm/h，送棒速度为2. 00mm/h,生长出来的掺Mg的BGO晶体质量良好。实施例3 :在IS气(Ar)气氛中生长掺lmol%Ca (相对于Bi)的BGO晶体 在氩气气氛中生长掺lmol%Ca的BGO晶体，氩气流量为O. 6L/h，生长速度为10. 50mm/h，送棒速度为2. 00mm/h,生长出来的掺Ca的BGO晶体质量良好。实施例4 :在氮气(N2)气氛中生长掺1. 5mol%Al (相对于Bi)的BGO晶体 在氮气气氛中生长掺1.5mol%Al的BGO晶体，氮气流量为O. 5L/h，生长速度为
11.00mm/h，送棒速度为2. 00mm/h，生长出来的掺Al的BGO晶体质量良好。实施例5 :在氮气(N2)气氛中生长掺1. 5mol%Mg (相对于Bi)的BGO晶体 在氮气气氛中生长掺1. 5mol%Mg的BGO晶体，氮气流量为O. 4L/h，生长速度为
12.00mm/h，送棒速度为2. 00mm/h，生长出来的掺Mg的BGO晶体质量良好。实施例6 :在氮气(N2)气氛中生长掺1. 5mol%Ca (相对于Bi)的BGO晶体 在氮气气氛中生长掺1. 5mo l%Ca的BGO晶体，氮气流量为O. 5L/h，生长速度为
11. 00mm/h，送棒速度为2. 00mm/h,生长出来的掺Ca的BGO晶体质量良好。
权利要求
1.一种快速生长掺杂Bi4Ge3O12 (BGO)晶体的技术方法，其特征在于应用光浮区法在惰性气氛下生长掺杂BGO晶体。
2.根据权利要求1所述的技术方法，其生长气氛可以是氩气、氮气等；根据权利要求1 根据权利要求1 根据权利要求1所述的生长方法，其保护气流量为O. 所述的生长方法，其生长速度范围为所述的生长方法，其送棒速度范围为4 O.6L/min ；10.00 13. OOmm/1.00 2. 50mm/ht
全文摘要
一种快速生长掺杂Bi4Ge3O12(BGO)晶体的技术方法，属于人工晶体材料领域。所用的生长方法为光浮区法，首先要制作原料棒，生长时籽晶与料棒之间形成一熔区，使熔区自下而上移动，完成单晶生长。因Al、Mg、Ca等掺杂的Bi4Ge3O12(BGO)熔体粘度小，熔区容易坍塌，故需要以较快的速度生长，同时还需要送棒，并且要在惰性气氛下生长。上述掺杂晶体生长技术与工艺的主要特征为其生长气氛可以是氩气、氮气等；其保护气流量为0.4～0.6L/min；其生长速度范围为10.00～13.00mm/h；其送棒速度范围为1.00～2.50mm/h。
文档编号C30B13/08GK102995107SQ20121045970
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者俞平胜 申请人:盐城工学院