KTiOAsO晶体的水热法生长①4

卢福华,周海涛,张昌龙,霍汉德,王金亮,覃世杰,左艳彬,周卫宁

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,国家特种矿物材料工程技术研究中心广西桂林541004)

KTiOAsO晶体的水热法生长①4

卢福华,周海涛,张昌龙,霍汉德,王金亮,覃世杰,左艳彬,周卫宁

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,国家特种矿物材料工程技术研究中心广西桂林541004)

文章报道了水热法生长KTiOAsO4晶体的结果,结果表明,以KH2AsO4和TiO2为培养原料, 2mol/L KF为矿化剂,生长出了尺寸可达19×20×12mm3(a×b×c)的KTA晶体,晶体沿(011)方向的生长速度为0.10mm/d,晶体的透过率测试结果表明:晶体在450nm～2500nm波段内透过率60%以上。

水热法;KTiOAsO4;透过率

1 引言

砷酸钛氧钾KTiOAsO4(简称KTA)晶体是KTiOPO4(KTP)晶体家族中的一员,同时也是一种性能良好的激光倍频材料,具有优异的非线性光学性能,如较高的非线性光学系数,光电转换系数大,很高的激光损伤阈值,较低的相位匹配温度敏感性,较大的角度带宽和稳定的相位匹配等特性[1]。KTA晶体具有KTP晶体的大部分优点,同时在二次倍频转换效率、电光特性和离子导电率等方面又有许多不同[2,3],其实用价值很大。到目前为止已经有很多科学技术工作者对KTA晶体的生长、性质以及铁电畴等缺陷问题进行了系统研究[4,5]。由于KTA晶体是一种多畴晶体,采用助溶剂法生长难以避免各种缺陷,特别是畴的存在,所以要想获得缺陷少,质量好的KTA晶体较为困难[1,6],这就要求我们寻找新的方法生长出质量更好的KTA晶体。

水热法具有生长温度低、晶体在低过饱和度下结晶,生长的晶体具有应力小、质量好的特点,这将有助于改善晶体的理想配比关系、提高晶体的均匀性及完整性,有利于提高晶体的光学质量、抗光学损伤能力等。因此采用水热法生长KTA晶体有可能解决助熔剂法存在的问题,使KTA晶体这一材料得到广泛应用,这将促进我国晶体材料以及中远红外全固态激光器的发展,为我国的军事、工业等现代化做出贡献。

本文报道了采用水热法,在以KH2As O4和TiO2为培养料,2mol/L KF为矿化剂的条件下,生长KTA晶体的结果。

2 晶体生长实验

2.1 实验装置

水热法生长KTA晶体的过程是在Φ38× 700mm3高压釜中进行的,高压釜装置结构基本原理图如文献[7]报道中所示。

2.2 实验结果

实验中我们采用KH2AsO4和TiO2为培养原料,培养原料按照化学反应方程式(1)进行配料,晶体生长的有关工艺参数如表1所示。

表1 水热法生长KTA晶体的有关工艺参数Table 1 Related process parameters of the growth of KTA crystal by hydrothermal technique

在此生长条件下,生长出比较透明、无色、外形良好、尺寸达到19×20×12mm3(a×b×c)的KTA晶体,如图1所示。KTA晶体沿(011)面的生长速度为0.10mm/d。

图1 水热法生长的KTA的晶体Fig.1 KTA crystal grown by hydrothermal method

2.3 晶体透过率曲线

我们把水热法生长的KTA晶体//(011)方向切割出了质量比较好的1.8mm厚的薄片,经过研磨抛光后,采用LAMBDA900分光光度计测试了KTA晶体在200～3000nm波段透过率,透过率曲线如图2所示。从图2可以看出,KTA晶体的透过率在450nm～2500nm波段内曲线比较平坦,其透过率在60%以上,这说明所生长的KTA晶体的光学透过率性能比较好。

图2 水热法KTA晶体的透过率曲线Fig.2 Transmittance curve of KTA crystal grown by hydrothermal method

从图2中还可以看出水热法生长的KTA晶体在约2700nm波段附近存在一个比较强的吸收峰,该吸收峰是由OH-引起的,这和水热法生长的KTP晶体的透过率曲线相似[7]。这主要是由于水热法生长晶体的过程中,矿化剂溶液中的水分子,在高温高压条件下分解后OH-离子进入晶格中造成的,这是水热法生长晶体的共性。

3 结果与讨论

3.1 结晶形貌

在水热法生长KTA晶体实验中,我们采用的是//(011)的籽晶进行KTA晶体的生长,其形貌如图3所示。从图3中可以看出,KTA晶体显露的晶面有:平行双面(100),双面e(011),r(101)和斜方柱(210)等,由于其中(001)和(010)生长速度最快,完全消失。从图中可以看出,水热法和熔盐法生长的KTA晶体的形貌基本一致[8]。

图3 水热法KTA晶体结晶形态Fig.3 Crystal form of KTA crystal grown by hydrothermal method

3.2 自发成核

在实验中发现:在黄金衬套管的内壁上端有比较多的自发成核晶粒(见图4所示),其XRD测试图如图5所示,从图中可以看出,虽然有少许杂质峰,但是其主要衍射峰与KTA标准PDF卡片图谱吻合得比较好,由此可以确定该自发成核晶粒主要成分为KTA,这说明KF对培养料的溶解能力比较好,因此采用KF试剂可以作为水热法生长KTA晶体的一种矿化剂。

图4 自发成核晶粒Fig.4 Crystals by spontaneous nucleation

图5 自发成核晶粒的XRDFig.5 The XRD of ctystals by spontaneous nucleation

4 结论

以2mol/L KF作为矿化剂,KH2AsO4和TiO2为培养料,在水热条件下生长出了尺寸为19×20× 12mm3(a×b×c)mm3的KTA晶体,这为KTA晶体的生长提供了一种新的方法,这既增加了KTA晶体的生长方法,同时也为更好的研究KTA晶体的性能打下良好的基础。

[1] 牟其善,刘希玲,马长勤,等.KTiOAsO4晶体的生长缺陷研究[J].无机材料学报,2000(15):584-588.

[2] Bierlein J D,Vanherzeele H.Appl Phys Lett.,1989(54):783-784.

[3] Cheng L K,Cheng L T,Bierlein J D,et al.Appl Phys Left, 1993(62):346-48.

[4] Loiaetmo G M,Imiaomao D N,Zola J J,et al.Optical Properties and Ionic Conductivity of KTiOAsO4[j].Appl Phys Lett., 1992(6):895.

[5] 魏景揿,王继扬,刘耀岗,等.KTiOAsO4晶体的生长和性质研究[J].人工晶体学报,1994(2):95-100.

[6] 牟其善,刘希玲,李可,等.KTiOAsO4晶体的铁电畴与位错的多种实验方法研究[J].人工晶体学报,2000(29):360-362.

[7] Zhang Chang-long,et al.Growth of KTP crystals with high damage threshold by hydrothermal method[J].Journal of Crystal Growth,2006,292:364-367.

[8] H.G.Gallagher,et al.Crystal growth and characterization of KTiOAsO4[j].Journal of Crystal Growth,2001,224:303-308

KTiOAsO4Crystal Grown by Hydrothermal Technique

LU Fu-hua,ZHOU Hai-tao,ZHANG Chang-long,HUO Han-de,WANG Jin-liang,
QIN Shi-jie,ZUO Yan-bin,ZHOU Wei-ning (National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004)

The KTA crystal grown by hydrothermal technique has been reported in this article.The result shows that the KTA crystal of a size up to 19×20×12mm3(a×b×c)has been obtained by using KH2AsO4and TiO2as cultivating materials and 2mol/L KF as mineralizer.The growth rate of KTA crystal along(011)was 0.10mm/d.The transmittance test of the crystal shows a result of over 60%between the waveband of 450nm～2500nm.

hydrothermal technique;KTiOAsO4;transmittance

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0042-03

2014-12-16

卢福华(1981-),男,广西桂林人,工程师,研究方向:水热法人工晶体的生长。

科研院所技术开发研究专项资金(2008EG115059)

张昌龙,教授级高工,E-mail:zhchl@rigm.ac.cn