阅读说明：本技术 一种大截面溴化钾晶体的生长方法 (Growth method of large-section potassium bromide crystal ) 是由 李永涛 张学建 郭立 刘卉昇 王红宇 刘明坤 张小伟 盖亮宇 刘景和 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出的一种大截面溴化钾晶体的生长方法,属于碱金属卤化物型光学晶体生长工艺领域,该生长方法是采用提拉法在大气环境下生长大截面溴化钾晶体的方法,包括籽晶的制备、块料压制、石英坩埚底部温度补偿和提拉法生长晶体步骤。该方法可以获得直径300mm以上的大截面高质量的溴化钾晶体毛坯。所获得的晶体测试表明：该溴化钾晶体在红外波段具有低于3％的吸收,溴化钾是典型的碱金属卤化物离子晶体,透过波段宽0.3μm～34μm,透过率高95％,广泛应用于激光器窗口材料。(The invention provides a growth method of a large-section potassium bromide crystal, belonging to the field of alkali metal halide type optical crystal growth process. The method can obtain the potassium bromide crystal blank with large section and high quality and the diameter of more than 300 mm. The crystal test obtained shows that: the potassium bromide crystal has absorption lower than 3% in an infrared band, is a typical alkali metal halide ion crystal, has a transmission band width of 0.3-34 mu m and a transmittance of 95%, and is widely applied to laser window materials.)

一种大截面溴化钾晶体的生长方法

技术领域

本发明涉及一种大截面晶体的生长方法，尤其是涉及一种大截面溴化钾晶体的生长方法，属于碱金属卤化物型光学晶体生长技术领域。

背景技术

碱金属卤化物晶体因其优异的综合性能，成为一种特殊材料，在激光与红外光电子技术方面发挥着广泛而重要的用途。目前，国际上晶体科技工作者在碱金属卤化物熔体准晶格动力学理论、固体晶格动力学理论、晶体生长热力学和动力学的研究和应用等方面展开了大量科学研究工作。

光电材料的发展激发人们对碱金属卤化物尤其是溴化钾晶体作为光学材料的兴趣，这导致了用于中子单色仪、红外棱镜、红外发射机、激光窗口、光存储等材料的碱卤化物晶体的发展。目前，溴化钾晶体红外窗口材料被广泛应用于可以透过紫外线、可见光、红外线的光学组件上，将红外窗口安装在高压开关柜、金属铠装柜、城市环网柜等电气壳体上，红外热像仪就能够通过红外窗口实现柜体内部红外热像，实现带电检测的目的。红外热像仪的红像高品质红外窗口帮助发电、供电、用电、电力设备制造大企业的安全生产，大大节省了企业的生产成本。此外，在核反应堆、熔盐电池、化学制备、能量储存、快离子固体电解质陶瓷等方面有着广泛的应用，这些重要的应用大大促进了碱金属卤化物晶体的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大截面溴化钾晶体的生长方法，该方法可以获得直径300mm以上的大截面高质量的溴化钾单晶体毛坯，并使其在红外波段的吸收率低于3％。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种大截面溴化钾晶体的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、籽晶制备：沿溴化钾解理面切割出的晶坯作为籽晶，籽晶形状为圆锥体，直径为50mm～55mm，高度为50mm～60mm，所述解理面为<100>晶面；

步骤二、块料压制：用纯度99.90％的粉末溴化钾为初始原料，经净化、干燥处理，压制成块料片，将块料片在温度为300℃的条件下烧结24h，得到料块；

步骤三、将步骤一得到的籽晶放在籽晶杆底端籽晶槽中，使用籽晶夹头固定，将步骤二得到的料块放入底部安装有恒定温场加热器的石英坩埚中，其中石英坩埚底部的恒定温场加热器距离石英坩埚底部10cm，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后，在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

步骤四、采用提拉法工艺生长单晶，以获得直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

进一步，所述提拉法工艺包括如下步骤：

(1)将压制成型的块料放入石英坩埚中，然后将装有块料的石英坩埚放入提拉炉内，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

(2)开启提拉炉，使提拉炉炉膛内的加热系统开始工作，温度达到750℃后，恒温2h，待石英坩埚中的块料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小8mm～10mm；

(3)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<100>，晶体生长过程包括如下步骤：

①放肩：放肩时降温速率为1℃/h，提拉速率为0.6mm/h～0.8mm/h，晶转速率为8r/min～10r/min，放肩角度控制在35°～45°，晶体放肩处尺寸与目标尺寸趋于一致时，恒温3h；

②等径生长：在等径生长过程中，要保持降温速率、提拉速度和转速不变，降温速率为0.5℃/h，提拉速度为0.8mm/h～1.2mm/h，转速为6r/min～8r/min；

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段，收尾与放肩过程正好相反，调整降温程序为升温程序，调整升温速率为5℃/h，持续2h，最后将提拉速度和转速降为0，结束晶体生长；

④降温退火，得到直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

优选地，所述块料的直径为380mm，厚度为5mm。

优选地，所述石英坩埚由坩埚壁部和坩埚底部构成一体式结构，坩埚壁部为圆柱形筒状，直径为400mm，高度为150mm,坩埚底部为球缺形，其高度为50mm。

优选地，所述提拉炉的炉膛呈圆筒形，炉膛的直径为500mm，高度为800mm，厚度为20mm。

优选地，在提拉法工艺中：熔体过热保持2h以上，再进行提拉生长过程。

优选地，步骤④中所述降温退火的过程如下：在680℃下恒温72h，再以小于30℃每小时速率降温至室温。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：对本发明提出的一种大截面溴化钾晶体的生长方法制备的大截面溴化钾晶体进行测量，尺寸达到直径300mm，厚度为100mm，将该晶体切割成晶体片，光学抛光后，在室温下测试其红外光谱性能，采用红外光谱仪测试红外光谱，发现晶体在红外波段无明显吸收峰，吸收率低于3％。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。

实施例1

一种大截面溴化钾晶体的生长方法，包括如下步骤：

步骤一、籽晶制备：沿溴化钾解理面切割出的晶坯作为籽晶，籽晶形状为圆锥体，直径为50mm，高度为50mm，所述解理面为<100>晶面；

步骤二、块料压制：用纯度99.90％的粉末溴化钾为初始原料，经净化、干燥处理，压制成块料片，将块料片在温度为300℃的条件下烧结24h，得到料块；

步骤三、将步骤一得到的籽晶放在籽晶杆底端籽晶槽中，使用籽晶夹头固定，将步骤二得到的料块放入底部安装有恒定温场加热器的石英坩埚中，其中石英坩埚底部的恒定温场加热器距离石英坩埚底部10cm，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后，在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

步骤四、采用提拉法工艺生长单晶，以获得直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

其中，所述块料的直径为380mm，厚度为5mm。

其中，所述石英坩埚由坩埚壁部和坩埚底部构成一体式结构，坩埚壁部为圆柱形筒状，直径为400mm，高度为150mm,坩埚底部为球缺形，其高度为50mm。

其中，所述提拉炉的炉膛呈圆筒形，炉膛的直径为500mm，高度为800mm，厚度为20mm。

其中，所述提拉法工艺包括如下步骤：

(1)将压制成型的块料放入石英坩埚中，并将装有块料的石英坩埚放入提拉炉内，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

(2)开启提拉炉，使提拉炉炉膛内的加热系统开始工作，待石英坩埚中的块料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小8mm；

(3)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<100>，晶体生长过程包括如下过程：

①放肩：放肩时降温速率为1℃/h，提拉速率为0.6mm/h，晶转速率为8r/min，放肩角度控制在35°，晶体放肩处尺寸与目标尺寸趋于一致时，恒温3h；

②等径生长：在等径生长过程中，要保持降温速率、提拉速度和转速不变，降温速率为0.5℃/h，提拉速度为0.8mm/h，转速为6r/min；

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段，收尾与放肩过程正好相反，调整降温程序为升温程序，调整升温速率为5℃/h，持续2h。最后把提拉速度和转速降为0，结束晶体生长；

④降温退火，为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，优选的，步骤④中所述降温退火的过程如下：在680℃下恒温72h，再以小于30℃/h速率降温至室温，得到直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

其中，在提拉法工艺中：熔体过热保持2h以上，再进行提拉生长过程。

所获得的晶体测试表明：溴化钾是典型的碱金属卤化物离子晶体，透过波段宽0.3μm～34μm，透过率高95％，广泛应用于激光器窗口材料。

实施例2

一种大截面溴化钾晶体的生长方法，包括如下步骤：

步骤一、籽晶制备：沿溴化钾解理面切割出的晶坯作为籽晶，籽晶形状为圆锥体，直径为52mm，高度为55mm，所述解理面为<100>晶面；

步骤二、块料压制：用纯度99.90％的粉末溴化钾为初始原料，经净化、干燥处理，压制成块料片，将块料片在温度为300℃的条件下烧结24h，得到料块；

步骤三、将步骤一得到的籽晶放在籽晶杆底端籽晶槽中，使用籽晶夹头固定，将步骤二得到的料块放入底部安装有恒定温场加热器的石英坩埚中，其中石英坩埚底部的恒定温场加热器距离石英坩埚底部10cm，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后，在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

步骤四、采用提拉法工艺生长单晶，以获得直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

其中，所述块料的直径为380mm，厚度为5mm。

其中，所述石英坩埚由坩埚壁部和坩埚底部构成一体式结构，坩埚壁部为圆柱形筒状，直径为400mm，高度为150mm,坩埚底部为球缺形，其高度为50mm。

其中，所述提拉炉的炉膛呈圆筒形，炉膛的直径为500mm，高度为800mm，厚度为20mm。

其中，所述提拉法工艺包括如下步骤：

(1)将压制成型的块料放入石英坩埚中，并将装有块料的石英坩埚放入提拉炉内，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

(2)开启提拉炉，使提拉炉炉膛内的加热系统开始工作，待石英坩埚中的块料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小9mm；

(3)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<100>，晶体生长过程包括如下过程：

①放肩：放肩时降温速率为1℃/h，提拉速率为0.7mm/h，晶转速率为9r/min，放肩角度控制在40°，晶体放肩处尺寸与目标尺寸趋于一致时，恒温3h；

②等径生长：在等径生长过程中，要保持降温速率、提拉速度和转速不变，降温速率为0.5℃/h，提拉速度为1.0mm/h，转速为7r/min；

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段，收尾与放肩过程正好相反，调整降温程序为升温程序，调整升温速率为5℃/h，持续2h。最后把提拉速度和转速降为0，结束晶体生长；

④降温退火，为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，优选的，步骤④中所述降温退火的过程如下：在680℃下恒温72h，再以小于30℃/h速率降温至室温，得到直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

其中，在提拉法工艺中：熔体过热保持2h以上，再进行提拉生长过程。

所获得的晶体测试表明：溴化钾是典型的碱金属卤化物离子晶体，透过波段宽0.3μm～34μm，透过率高95％，广泛应用于激光器窗口材料。

实施例3

一种大截面溴化钾晶体的生长方法，包括如下步骤：

步骤一、籽晶制备：沿溴化钾解理面切割出的晶坯作为籽晶，籽晶形状为圆锥体，直径为55mm，高度为60mm，所述解理面为<100>晶面；

步骤二、块料压制：用纯度99.90％的粉末溴化钾为初始原料，经净化、干燥处理，压制成块料片，将块料片在温度为300℃的条件下烧结24h，得到料块；

步骤三、将步骤一得到的籽晶放在籽晶杆底端籽晶槽中，使用籽晶夹头固定，将步骤二得到的料块放入底部安装有恒定温场加热器的石英坩埚中，其中石英坩埚底部的恒定温场加热器距离石英坩埚底部10cm，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后，在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

步骤四、采用提拉法工艺生长单晶，以获得直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

其中，所述块料的直径为380mm，厚度为5mm。

其中，所述石英坩埚由坩埚壁部和坩埚底部构成一体式结构，坩埚壁部为圆柱形筒状，直径为400mm，高度为150mm,坩埚底部为球缺形，其高度为50mm。

其中，所述提拉炉的炉膛呈圆筒形，炉膛的直径为500mm，高度为800mm，厚度为20mm。

其中，所述提拉法工艺包括如下步骤：

(1)将压制成型的块料放入石英坩埚中，并将装有块料的石英坩埚放入提拉炉内，调整石英坩埚底部温场、石英坩埚、提拉炉、籽晶杆的同心度后在提拉炉上方加盖石英板，设置升温程序，以5℃/h的升温速率从室温30℃升温至750℃，恒温2h；

(2)开启提拉炉，使提拉炉炉膛内的加热系统开始工作，待石英坩埚中的块料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小10mm；

(3)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<100>，晶体生长过程包括如下过程：

①放肩：放肩时降温速率为1℃/h，提拉速率为0.6mm/h，晶转速率为10r/min，放肩角度控制在45°，晶体放肩处尺寸与目标尺寸趋于一致时，恒温3h；

②等径生长：在等径生长过程中，要保持降温速率、提拉速度和转速不变，降温速率为0.5℃/h，提拉速度为0.8mm/h，转速为8r/min；

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段，收尾与放肩过程正好相反，调整降温程序为升温程序，调整升温速率为5℃/h，持续2h。最后把提拉速度和转速降为0，结束晶体生长；

④降温退火，为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，优选的，步骤④中所述降温退火的过程如下：在680℃下恒温72h，再以小于30℃/h速率降温至室温，得到直径300mm以上的大截面溴化钾晶体。

其中，在提拉法工艺中：熔体过热保持2h以上，再进行提拉生长过程。

所获得的晶体测试表明：溴化钾是典型的碱金属卤化物离子晶体，透过波段宽0.3μm～34μm，透过率高95％，广泛应用于激光器窗口材料。