[发明专利]一种水热法生长铌酸锂单晶薄膜或体单晶的方法

说明书

一种水热法生长铌酸锂单晶薄膜或体单晶的方法。该方法是在高压釜中，以含锂化合物作为矿化剂，采用温差水热法或降温水热法使铌酸锂溶解并重结晶生长单晶薄膜或体单晶。水热法可以在较低的温度下实现保持铌酸锂化学计量的合成。同时，由于反应环境为液相，十分有利于结晶反应的均匀成核和扩散，产物结晶性能良好。在此制备方法中，可通过引入氧化剂解决晶体中铌元素价态不统一的问题。因此通过水热法可以制备出具备高质量的大面积单晶铌酸锂薄膜，并且有利于减少晶体的点缺陷和铌价态偏离。本发明工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于生产。

技术领域

本发明属于光电子材料技术领域，具体涉及一种用水热法生长铌酸锂单晶薄膜和体单晶的方法。

背景技术

电脑、手机等无线通信设备的普及为人们的日常生活带来诸多便利，伴随物联网、大数据和5G时代的到来，对无线信号的探测、调制、传播等各方面的要求也逐步提高，其中光学芯片作为信号转换的关键部件之一，其性能优劣及体积等对器件的整体性能及集成具有重要影响，获得优良性能的光学芯片成为光电子领域的重要目标之一。

铌酸锂晶体是一种性能优异的光学芯片基底材料，具有声光效应、线性电光效应、体光伏效应、热电效应、压电效应、光折变效应、二阶非线性光学效应等多种性能，可用于制备声学滤波器、电光调制器、谐振器、延迟线、相位调制器等器件，在电子技术、光通信技术、激光技术等领域有广泛的应用。铌酸锂晶体具有紫外-中红外(0.35-5μm)的较宽透明窗口，可在宽波段范围内实现多种光学应用。目前基于体块铌酸锂材料的光学器件已产业化，但块体材料上的器件尺寸较大，集成度低。随光学芯片向微型化、集成化方向发展，具有优异光学性能的铌酸锂薄膜和基于铌酸锂薄膜的光学器件将是光电子领域下一步的发展方向。

现有技术中，制备铌酸锂薄膜的方法有化学气相沉积法、分子束外延法、射频溅射法、脉冲激光沉积法、溶胶-凝胶法等，但这些方法很难获得高质量的单晶铌酸锂薄膜。随微纳加工技术的发展，目前可采用离子注入、晶片键合以及热剥离等智能切片工艺获得较大尺寸的铌酸锂单晶薄膜，但薄膜质量将受到铌酸锂基底晶体和加工方法的制约。目前普遍采用提拉法生长块体铌酸锂晶体，过程中受多晶料烧结不充分，特别是因原料组分熔点差异而导致的锂挥发影响，所生长的铌酸锂晶体往往存在锂空位、反位铌等缺陷，而挥发易引起熔体锂/铌比不固定，导致所生长晶体的组分变化，一致性变差，难以获得大尺寸、高质量的光学级晶体。另外，铌的氧化物易存在多种价态，组分原料中除需要的五价铌外，也会存在微量四价、三价等低价态化合物，这些低价态物质将使得所生长铌酸锂晶体中出现异相，影响了晶体质量。综上所述，目前制备单晶铌酸锂薄膜和体单晶的方法依然存在难以克服的缺点。因此，人们仍在积极探索高质量单晶铌酸锂薄膜和体单晶的制备方法。

发明内容

本发明目的是旨在克服现有提拉法制备铌酸锂晶体过程中由于锂挥发而导致的晶体组分变化，及多价态铌化合物对晶体质量的不利影响，从而提供一种能直接生长大尺寸、高质量铌酸锂单晶薄膜或体单晶的水热制备法。

水热法是指在密封的体系中，以水作为反应介质，通过加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常情况下难溶或不溶的物质在反应容器中溶解并重结晶，或使原始混合物进行化学反应的方法。水热法制备铌酸锂单晶薄膜，无需烧结，同时密封的环境可防止锂元素的挥发和杂质的引入，能有效解决铌酸锂晶体锂/铌比不确定的问题。进一步地，可通过引入氧化剂将原料中的低价态Nb³⁺，Nb⁴⁺等氧化至Nb⁵⁺，解决晶体中铌元素价态不统一的问题。

本发明的技术方案为：

一种水热法生长大尺寸铌酸锂单晶薄膜或体单晶的方法，是在高压釜中，以氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸氢二锂、硫酸锂、草酸锂、溴化锂、氯化锂、氟化锂或高氯酸锂等含锂化合物的一种或数种作为矿化剂，采用温差水热法或降温水热法使铌酸锂溶解并重结晶生长单晶薄膜的方法。该方法的具体步骤如下：