鈮酸鋰（LiNbO3）晶體是目前用途最廣泛的新型無機(jī)材料之一，是一種集光電、雙折射、聲光、非線性光學(xué)、壓電、光折變、熱釋電與鐵電效應(yīng)于一身的人工晶體材料。特別隨著晶體設(shè)計(jì)與生長(zhǎng)工藝的改變，鈮酸鋰晶體在研制和應(yīng)用中不斷有新的應(yīng)用出現(xiàn)，這也是鈮酸鋰晶體的研究工作經(jīng)久不衰的原因所在。

  鈮酸鋰晶體是一種典型的非化學(xué)計(jì)量比晶體。傳統(tǒng)提拉法生長(zhǎng)的同成分鈮酸鋰晶體存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷，影響晶體的光學(xué)質(zhì)量，導(dǎo)致晶體的諸多物理性能下降，從而限制了鈮酸鋰晶體的應(yīng)用，因?yàn)殁壦徜嚲w的各種性能與晶體內(nèi)部的缺陷密是不可分。 

按照晶體質(zhì)量和用途，又可分為聲表級(jí)和光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體。我國(guó)是鈮酸鋰晶體的生產(chǎn)大國(guó)，每年有幾十噸的產(chǎn)量，但絕大多數(shù)都是聲表級(jí)晶體，如何提高晶體的質(zhì)量，使之提升到光學(xué)級(jí)，涉及晶體生長(zhǎng)過程的方方面面，單單靠某個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的改進(jìn)是不夠的，應(yīng)當(dāng)對(duì)晶體的整個(gè)生長(zhǎng)工藝進(jìn)行全方位的提高。我公司有三十多年一直采用提拉法研發(fā)鉭酸鋰、鈮酸鋰等晶體的生長(zhǎng)技術(shù)工藝沉淀，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，可生長(zhǎng)出低缺陷、近化學(xué)計(jì)量比的鈮酸鋰晶體。聲表級(jí)的鈮酸鋰晶體的生長(zhǎng)和應(yīng)用技術(shù)早已十分成熟，光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)技術(shù)國(guó)內(nèi)、外相對(duì)保密，各生產(chǎn)單位、科研院所都不愿公開自己的技術(shù)，現(xiàn)對(duì)公司光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體的生長(zhǎng)工藝做以下總結(jié)。

一、原料：

首先，原料及配比是保證晶體質(zhì)量的首要因素：我們生長(zhǎng)光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體的原料是Li₂CO₃和Nb₂O₅，純度為99.999%。為了保證鈮酸鋰晶體組分的均勻性，獲得高光學(xué)質(zhì)量的晶體，采用近化學(xué)計(jì)量配比，生長(zhǎng)的鈮酸鋰晶體中Li/Nb等于0.946，在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過程中固相和液相的化學(xué)組分始終保持一致。

混料：按照近化學(xué)配比進(jìn)行配料，用萬分之一的分析天平稱量原料；我所自主研發(fā)的混料機(jī)中混料24個(gè)小時(shí)，保證原料充分混合均勻，壓制成料餅。

    燒料：將混合好的料餅放入鉑金坩堝中，進(jìn)行燒結(jié)。生長(zhǎng)光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體原料燒制極為重要，即要保證CO₂充分揮發(fā)又要不影響組分偏離，特別是燒結(jié)過程中如何保障Li₂O與Nb₂CO₅充分反應(yīng)；又可以控制鋰的揮發(fā)，使我們工藝中重點(diǎn)解決的難題，長(zhǎng)期對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了分析、細(xì)化，做到爐體結(jié)構(gòu)合理、溫度梯度合適、控溫精確、工藝參數(shù)精細(xì)。

二、鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)工藝參數(shù)：

      晶體生長(zhǎng)過程中，影響晶體質(zhì)量的因素有很多，且相互關(guān)聯(lián)，相互制約，因此選擇合適的工藝參數(shù)對(duì)于生長(zhǎng)出高質(zhì)量的晶體是至關(guān)重要的。晶體生長(zhǎng)的主要工藝參數(shù)包括溫度梯度、晶體生長(zhǎng)拉速和晶體旋轉(zhuǎn)速度等。

溫度梯度：生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體的一個(gè)重要因素就是要有一個(gè)合適的溫度分布，它可以給晶體生長(zhǎng)提供合理的溫度梯度和穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，還有利于降低晶體缺陷。晶體生長(zhǎng)的溫場(chǎng)主要是通過坩堝、加熱裝置、保護(hù)材料等建立起來的，分為軸向和徑向溫度梯度。軸向梯度是晶體生長(zhǎng)的原動(dòng)力，軸向梯度較大的溫場(chǎng)有利于晶體的生長(zhǎng)，但熱應(yīng)力明顯，晶體容易開裂，只有選擇合適的軸向溫度梯度，才能保證晶體順利生長(zhǎng)。徑向溫度梯度的大小對(duì)

晶體肩部的生長(zhǎng)形態(tài)晶體表面光潔度都具有重要影響，但要求溫場(chǎng)對(duì)稱和均勻。因此我所通過多年的研發(fā)，建立合適的軸向梯度和較均勻的徑向梯度的溫場(chǎng)，有效解決晶體生長(zhǎng)、降溫過程中開裂的問題，并且有利于減少晶體中存在的熱應(yīng)力，生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體技術(shù)工藝穩(wěn)定、成熟。

      晶體的生長(zhǎng)速度：為了保證晶體的光學(xué)質(zhì)量，首先要避免機(jī)械爬行現(xiàn)象，不然晶體易出現(xiàn)生長(zhǎng)條紋。我們現(xiàn)在采用全自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)，晶體接好種以后，放肩、等徑、收尾等過程，全部由計(jì)算機(jī)程序控制完成。采用較低的生長(zhǎng)速率更有利于獲得到熱應(yīng)力小和勻稱性好的高質(zhì)量晶體。

晶體旋轉(zhuǎn)速度：晶體的旋轉(zhuǎn)對(duì)生長(zhǎng)過程有著重要的影響。旋轉(zhuǎn)可攪拌熔體產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，增加溫場(chǎng)的徑向?qū)ΨQ性；還可以提高液面下的溫度梯度，有利于避免組分過冷和氣泡產(chǎn)生。在晶體生長(zhǎng)過程中，固液界面有兩種情況，而晶體的質(zhì)量取決于固液界面的形狀：旋轉(zhuǎn)速率過快時(shí)，此時(shí)強(qiáng)制對(duì)流起主要作用，界面變凹，固液界面穩(wěn)定性不好，晶體極易產(chǎn)生生長(zhǎng)條紋；旋轉(zhuǎn)速率過慢時(shí)，此時(shí)熔體受自然對(duì)流影響，界面變凸，此時(shí)界面熱交換緩慢，晶體易產(chǎn)生組分過冷和包裹體，晶體光學(xué)質(zhì)量較差。

三、鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)過程：

   1、裝爐：把壓制好的多晶料塊裝入鉑金坩堝中，安裝并校正籽晶，放置保溫罩，配好稱重等。注意裝爐要避免污染原料；選擇優(yōu)良的籽晶，籽晶如果有缺陷，會(huì)直接“遺傳”給晶體等問題。

2、升溫、化料：按照程序緩慢升溫，略高于化料溫度并恒溫一個(gè)小時(shí)。這樣可以使原料充分熔化，還可以讓熔體組分穩(wěn)定均勻，有效防止晶體生長(zhǎng)過程中散射、氣泡等包裹體產(chǎn)生。確認(rèn)無漂晶后，降溫并預(yù)熱籽晶。

3、接種、放肩：首先將預(yù)熱好的籽晶下降至液面1mm，目的是為了消除籽晶自身的缺陷。然后開始接種，接種采用“縮頸”技術(shù)，根據(jù)籽晶周圍的光圈觀察、調(diào)整溫度，保證縮頸部分細(xì)長(zhǎng)透明，有利于生長(zhǎng)出高質(zhì)量的晶體；之后開始放肩，讓晶體慢慢長(zhǎng)大即是放肩。放肩過程要均勻，速度不易過快，要有放肩角度。因?yàn)樾狈偶鐪囟茸兓^小，晶體肩部熱應(yīng)力降低，還有利于減少位錯(cuò)的產(chǎn)生，從而降低晶體開裂等優(yōu)點(diǎn)。

4、等徑、收尾、降溫程序：放肩以后步驟采用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)控制，但需要有良好的晶體生長(zhǎng)條件及其穩(wěn)定性，比如均勻的溫場(chǎng)，設(shè)備的精密等等，還可以避免人為操作而影響晶體質(zhì)量。

當(dāng)然影響晶體光學(xué)質(zhì)量的原因還有很多，比如籽晶的質(zhì)量；原料的純度、配比及混料的均勻度；升溫、化料溫度、速度；接種、放肩技術(shù)工藝；提拉系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該避免自身的爬行與震動(dòng)；晶體退火、極化工藝等等。因此為了提高晶體質(zhì)量，避免或減少生長(zhǎng)條紋和包裹體等缺陷，應(yīng)設(shè)計(jì)好晶體生長(zhǎng)的溫度梯度，合理拉速、轉(zhuǎn)速，控制好晶體生長(zhǎng)工藝每個(gè)步驟及后處理工藝等。

  我所生長(zhǎng)光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體采用全自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)的感應(yīng)加熱單晶爐，控溫精度±0.5℃;控制系統(tǒng)采用下電子秤自動(dòng)控制，稱重精度0.01g;鉑金坩堝。利用我所研制的特殊后加熱器工裝有效的避免了晶體生長(zhǎng)過程中溫度波動(dòng)大，減小了晶體的熱應(yīng)力，提高了晶體的內(nèi)部質(zhì)量。

四、晶體的退火、極化工藝技術(shù)：

剛生長(zhǎng)出的鈮酸鋰晶體具有較大的熱應(yīng)力，為了消除這種熱應(yīng)力，提高晶體的光學(xué)均勻性，需要對(duì)晶體進(jìn)行退火處理。研究表明，經(jīng)過退火工藝處理，鈮酸鋰晶體的光學(xué)均勻性能夠提高十倍以上。

鈮酸鋰晶體存在自發(fā)極化，由于自發(fā)極化的方向不同，形成不同的籌區(qū)。剛生長(zhǎng)出的鈮酸鋰晶體是多籌的，所以必須進(jìn)行極化工藝處理，使之轉(zhuǎn)化為單籌晶體，即晶體各處的自發(fā)極化方向相同。我所鈮酸鋰晶體退火、極化工藝采用自主研發(fā)的退火爐、極化爐，爐內(nèi)溫度分布均勻、溫度梯度較低。

經(jīng)退火、極化工藝處理后，晶體就可以加工了。晶體加工包括晶體的定向、切割、研磨，拋光、清洗等流程。隨著通訊和信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體的生長(zhǎng)及加工質(zhì)量都提出了很高的標(biāo)準(zhǔn)，我所可按照客戶的加工需求加工晶體異形塊，還可以為客戶提供優(yōu)化的晶體加工技術(shù)服務(wù)，使其得到最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品及提高晶體的出材率。公司以焦作市激光研究所為依托，其從事提拉法晶體材料的研究、生產(chǎn)、加工有四十多年歷史，晶體生長(zhǎng)技術(shù)操作人員大都有二十年以上的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品除了滿足國(guó)企業(yè)及科研研所的需求，還遠(yuǎn)銷日本、韓國(guó)、德國(guó)等國(guó)外市場(chǎng)。