氧化碲（TeO₂）晶體生長(zhǎng)工藝淺談

TeO₂晶體是一種具有高品質(zhì)因子的聲光材料。該晶體為四方晶系，結(jié)晶形態(tài)為變形的金紅石結(jié)構(gòu)。它具有雙折射性和旋光特性，旋光度為 87°/mm，光活性大，沿[110]方向傳播的聲速很小，僅為 616m∕s，比普通聲光介的聲速慢 5～6 倍，在相同的通光孔徑下用TeO₂晶體制作的聲光器件，其分辨率可以有數(shù)量級(jí)的提高。TeO₂晶體良好的聲光性能是制作聲光偏轉(zhuǎn)器、調(diào)制器、諧振器、濾波器的理想材料。目前，TeO₂晶體還被多個(gè)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室用來(lái)作為研究雙β衰變的材料。

 TeO₂晶體的生長(zhǎng)方法通常有兩種：坩堝下降法和晶體提拉法。這兩種方法都是從熔體中生長(zhǎng)晶體。坩堝下降法又叫布里奇曼法。基本原理是將原料放入具有特殊形狀的坩堝里，在結(jié)晶爐內(nèi)加熱使之熔化，然后使坩堝緩慢下降，通過(guò)溫度梯度較大的區(qū)域時(shí)，熔體在坩堝中自下而上的結(jié)晶為整塊晶體。

坩堝下降法的特點(diǎn)：

1.     晶體的形狀可以隨坩堝的形狀而定，適合異形晶體的生長(zhǎng)

2.     可根據(jù)籽晶定向生長(zhǎng)，也可自然成核生長(zhǎng)。

3.     適合大尺寸、多數(shù)量的晶體生長(zhǎng)，一爐可以同時(shí)生長(zhǎng)幾根或幾十根不同規(guī)格尺寸的晶體。

4.     操作工藝比較簡(jiǎn)單。

坩堝下降法缺點(diǎn)：

1.坩堝下降法生長(zhǎng)晶體時(shí)，爐膛內(nèi)徑向溫度分布不夠均勻，因此生長(zhǎng)出的晶體質(zhì)量很難進(jìn)一步提高。

2.晶體生長(zhǎng)的全過(guò)程都在坩堝內(nèi)進(jìn)行，不便于直接觀察晶體的生長(zhǎng)情況。

3.晶體在坩堝內(nèi)結(jié)晶過(guò)程中易產(chǎn)生坩堝對(duì)晶體的壓應(yīng)力和寄生成核，所以對(duì)坩堝的內(nèi)表面光潔度有較高的要求。

4.生長(zhǎng)過(guò)程中的提純作用差，對(duì)原料的純度要求高。

提拉法的主要優(yōu)點(diǎn)是：

在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，可以方便地觀察晶體的生長(zhǎng)狀況；晶體在熔體的自由表面處生長(zhǎng)，而不與坩堝相接觸，這樣能減小晶體的應(yīng)力并防止坩堝壁上的寄生成核；可以方便地使用定向籽晶和“縮頸”技術(shù)工藝，以得到完整的晶體和所需取向的晶體。

由以上兩種晶體生長(zhǎng)方法對(duì)比可知，坩堝下降法具有能夠生長(zhǎng)大尺寸、異形晶體和工藝操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是和提拉法相比，坩堝下降法存在徑向溫度分布不均勻、缺乏進(jìn)一步的提純效果以及對(duì)原料純度和坩堝內(nèi)表面光潔度要求高等缺點(diǎn)，晶體質(zhì)量很難進(jìn)一步提高。相比而言，提拉法有其優(yōu)點(diǎn)，如爐內(nèi)的徑向溫度比較均勻，且在晶體生長(zhǎng)時(shí)有一定的再提純作用，具備進(jìn)一步提高晶體質(zhì)量的潛力。目前，國(guó)外基本上均是采用提拉法生長(zhǎng)TeO₂晶體。

TeO₂晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中有特定的自身因素，比如TeO₂在450°C左右開(kāi)始升華，在熔點(diǎn)附近蒸汽壓力較高，揮發(fā)嚴(yán)重；由于TeO₂熔點(diǎn)低、粘度大，晶體中易產(chǎn)生氣泡、云層、散射等缺陷，使用提拉法調(diào)節(jié)拉速和轉(zhuǎn)速可以避免這些缺陷；籽晶取向沿[100]、[001]、[110]方向都能拉出單晶，但不同方向生長(zhǎng)速率有明顯的各異性，沿[001]方向的生長(zhǎng)速率很大，會(huì)在晶體中出現(xiàn)晶界，沿[110]方向生長(zhǎng)并選擇優(yōu)質(zhì)的籽晶可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的晶體。

多年來(lái)，我們一直深入開(kāi)展提拉法生長(zhǎng)TeO₂晶體的試驗(yàn)研究，如TeO₂晶體的生長(zhǎng)工藝參數(shù)與晶體開(kāi)裂、晶體缺陷和晶體閃射之間的內(nèi)在關(guān)系，晶體生長(zhǎng)參數(shù)與固液界面形態(tài)的關(guān)系及界面形態(tài)與晶體質(zhì)量的關(guān)系及籽晶的定向、切向問(wèn)題等等，現(xiàn)生長(zhǎng)出高質(zhì)量、大直徑、聲光質(zhì)量因素好的TeO₂晶體。公司下一步將對(duì)TeO₂晶體摻雜問(wèn)題開(kāi)展深入研究。