[发明专利]一种浮区法生长掺杂不同浓度Ta的La2Ti2O7单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长领域，尤其涉及浮区法生长La₂Ti_2-xTa_xO₇单晶的方法。

背景技术

La₂Ti₂O₇是一种无铅环保安全的高温压电铁电材料，其居里温度高达1773k，具有优良的压电、电光及非线性光学特性，用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等特殊领域，是最有应用潜力的传感器、制动器的候选材料。La₂Ti₂O₇单晶属层状类钙钛矿结构，当八个晶胞叠合到一起时，组成La₂Ti₂O₇层状立体结构，每一层由四个TiO₆八面体平面层构成，TiO₆八面体通过氧连接在一起，La原子分两类，一类La原子位于每个平面层的正八面体间隙中，另一类La原子位于层与层之间，其晶格常数分别为夹角为α＝γ＝90°，β＝98°43’，密度ρ＝5.78g/cm³。由密度泛函理论计算出La₂Ti₂O₇不同温度下存在四个相，分别为P2₁，P2₁/m，Cmc2₁，Cmcm，其中P2₁/m相至今没有相关文献报道，而其他三相分别为，1053k附近从P2₁单斜相结构变为正交相结构，正交晶系结构的La₂Ti₂O₇具有空间群Cmc2₁，与单斜结构相比，其正交晶系结构对称性发生变化，这是因为TiO₆八面体沿着Ti原子倾斜和La原子稍微偏移，使得晶格常数c加倍，a减小。在1773k附近，La₂Ti₂O₇由正交晶相转变为顺电相，顺电相的La₂Ti₂O₇具有空间群Cmcm。室温下，使用溶胶凝胶法制备的纳米La₂Ti₂O₇粉体还存在微弱的铁磁性能，真空退火增强了其铁磁性，由此推断出此铁磁性可能是由于氧空位引起的；而溶胶凝胶法制备的La₂Ti₂O₇块体，室温下具有铁磁铁电共存的特性，同时，在多铁块体La₂Ti₂O₇中也发现了磁性电介质效应，表明了磁与电之间具有耦合的特性，多铁材料中同时存在的铁电铁磁使得其在自旋电子学、信息存储、传感器等领域具有潜在的应用。室温下，La₂Ti₂O₇介电常数为42-62，微波介电损耗低且室温时保持为常数。La₂Ti₂O₇的带隙值Eg＝3.8eV，可作为光学催化剂，加速化学反应(如水的分解)及毒性有机物的降解，还可以作为发光活跃中心(Pr³⁺，Eu³⁺)的基质材料，通过掺杂稀土元素制备荧光粉，用途广泛。但由于La₂Ti₂O₇属高熔点无机化合物(1790℃)，又具有特殊的层状结构，很难制备高质量单晶。Chunchun Li等人报道了掺杂Ta可以使La₂Ti₂O₇晶体结构由原来的4层变为3层，最大掺杂浓度为0.2，随着Ta的掺入居里温度会降低，当x＝0.2温度为600℃时，材料的直流电阻率达到最大值～1.0×x10⁸Ω，此时d₃₃达到最大值～2.1Pc/N。2013年，Gang Chen等人通过研究掺杂Ta的La₂Ti₂O₇陶瓷的微观结构与介电性能，发现其颗粒的大小、介电、铁电性能都与掺杂Ta的量有关，当x＝0.2时颗粒尺寸D≤2μm，同时当x＝0.3时，介电性能εr≥5600，Tanδ≤0.02。虽然已有多篇文献报道，掺杂Ta可有效调控La₂Ti_2-xTa_xO₇陶瓷的压电、介电、铁电性能，但由于陶瓷多晶体具有晶界效应、高位错密度和高杂质缺陷等,测试的性能无法体现其晶体结构的本征物理特性，只有通过对单晶体测试才能真正获得其晶体结构的本征的物理特性，才能利用该材料进行制备小型化、多功能化和集成度高的电子器件，适应信息技术的不断更新换代。所以进行其单晶的制备是非常必要的。然而，由于La₂Ti₂O₇单晶本身熔点高达1790℃，难熔，极易挥发；且Ta氧化物和Ti氧化物的离子半径不同，化合价也不同，(Ta⁵⁺，Ti⁴⁺)，所以不宜掺杂，至今还未有成功制备掺Ta的La₂Ti_2-xTa_xO₇单晶的报道。