單晶的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶體材料的制備方法，特別是涉及一種同時具有磁性和鐵電性的晶體材料的制備方法，應用于傳感器或聲波換能器等器件的特種磁電功能材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來，多鐵性材料與鐵電材料在現代科技中得到了廣泛的應用。鐵磁材料(ferromagnetics)具有自發(fā)磁矩，且其可以隨外加磁場變化而翻轉，實現開關功能，從而實現信息存儲。現代電子產業(yè)，包括計算機等，廣泛使用磁存儲技術。鐵電材料具有自發(fā)電極化，這一電極化可以隨外加電場變化而翻轉，實現開關功能。很多鐵電體同時也是鐵彈體(ferroelastics)，其電極化的改變通常伴隨著形狀或晶格常數的變化，因此被廣泛用于傳感器或聲波換能器等方面。更進一步，與目前廣泛應用的存儲器相比，基于鐵電材料的鐵電隨機讀取存儲器(ferroelectric random access memory, FeRAM)具有非揮發(fā)性和讀取速度快等優(yōu)點，因而具有巨大應用前景。隨著科學技術的進步，對器件小型化的要求越來越高，這就需要發(fā)展同時具有兩種或兩種以上功能的新材料，以研制能同時實現多種功能的新型器件。由于各種物理效應共存于一個體系，它們之間不可避免地將發(fā)生互相作用，從而可能實現不同功能間的互相調控，為發(fā)展新的多功能器件提供機會?？紤]到磁性和鐵電性在現代科技中的廣泛應用，人們自然想到能否將磁性和鐵電性結合在一起，獲得同時具有磁性和鐵電性的材料，有可能突破目前自旋電子學的瓶頸——自旋狀態(tài)的讀取與控制，有望以此為基礎發(fā)展新的原型器件。多鐵性可能應用的一個最突出實例是:磁記錄讀取速度快而寫入慢，鐵電記錄讀取復雜而寫入快；如果使用多鐵性體為記錄介質，就可能同時實現超高速率的讀寫過程。
[0003]2015年南京大學Y.Fang等人首次報道了 Mn4Nb209多晶奈爾溫度處伴隨著磁場調控的電極化現象，暗示著Mn4Nb209是磁電材料，但目前還沒有關于Mn 4Nb209單晶的報道。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決現有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種采用一步法直接生長磁電材料Mn4Nb209單晶的方法，采用光學浮區(qū)法一步直接制備大尺寸Mn4Nb209單晶，制備工藝過程無腐蝕，無污染，晶體生長效率高，工藝可重復性好，所制備的晶體完整性好，晶體質量高，滿足制備磁電器件的特種功能材料需求。
[0005]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術方案:
一種采用一步法直接生長磁電材料Mn4Nb209單晶的方法，包括如下步驟:
①多晶棒的制備和預合成工藝:
a.采用純度為3N以上的MnC0#P Nb 205作為初始原料，并將MnCO 3與Nb 205按摩爾比為4:1的比例進行配比，在將按上述成份配比的混合料進行研磨和充分混合后，將混合料置于高溫爐內，在Ar氣保護氣氛條件下和900°C的溫度下燒結12 h，然后隨爐自然降至室溫，得到預燒結原料備用；
b.將在所述步驟a中制備的預燒結原料進行研磨得到，再將研磨后的多晶料粉放入模具中，在50-200 MPa壓力下等靜壓成型，制備成分為MnNb206和Μη304的混合相的原料棒；②一步法單晶生長工藝:
a.將一根原料料棒固定在下方籽晶桿的座臺上作為籽晶棒，將另外一根原料棒懸掛在上方料桿的掛鉤上作為料棒，然后調整好籽晶棒和料棒之間的相對位置，保證籽晶棒和料棒同軸設置；
b.采用光學浮區(qū)法，啟動旋轉系統，控制轉速為10~30rpm，控制空氣氣流流量在2-6L/min之間，在自動升功率至45%后，繼續(xù)采用手動升功率，待料棒熔化均勻后，開始對接料棒和籽晶棒，待熔區(qū)穩(wěn)定后，以5 mm/h的速度穩(wěn)定生長晶體材料，生長晶體材料結束后，緩慢降至室溫，最終制得純相的Mn4Nb209單晶；優(yōu)選最終制得純相的直徑不低于7mm且長度不低于35mm的大尺寸Mn4Nb209單晶材料。
[0006]本發(fā)明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明采用預燒結結合光學浮區(qū)法，通過一步直接獲得了純相的大尺寸的磁電材料Mn4Nb209單晶，所得的單晶表面光潔度好、致密度高和均勻性好；
2.本發(fā)明在預燒結過程中得到MnNb206和Μη304的混合相，采用該混合相的料棒和籽晶在Ar氣保護下生長，一步直接即可獲得了純相的Mn4Nb209單晶，不需要通過單相材料材料制備單晶材料，工藝易于實現，原材料成本低。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例制備磁電材料Mn4Nb209單晶的光學浮區(qū)法生長裝置原理圖。
【具體實施方式】
[0008]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
在本實施例中，參見圖1，一種采用一步法直接生長磁電材料Mn4Nb209單晶的方法，包括如下步驟:
①多晶棒的制備和預合成工藝:
a.采用純度為3N以上的MnCO#Nb 205作為初始原料，并將MnCO 3與Nb 205按摩爾比為4:1的比例進行配比，在將按上述成份配比的混合料進行研磨和充分混合后，將混合料置于高溫爐內，在Ar氣保護氣氛條件下和900°C的溫度下燒結12 h，然后隨爐自然降至室溫，得到預燒結原料備用；
b.將在所述步驟a中制備的預燒結原料進行研磨得到，再將研磨后的多晶料粉放入模具中，在50-200 MPa壓力下等靜壓成型，分別制備出直徑8 mm、長度約50 mm的原料棒1和直徑5mm、長度約30 mm的籽晶棒2，經XRD確認，該原料棒1和籽晶棒2均為MnNb206和Μη304的混合相，而非單相Mn 4Nb209多晶材料，即得到上棒和下棒；
②一步法單晶生長工藝:
a.將一根30 mm長的籽晶棒2固定在下方籽晶桿的座臺上作為下棒，將一根50 mm長的原料棒1懸掛在上方料桿的掛鉤上作為上棒，然后調整好籽晶棒2和原料棒1之間的相對位置，保證籽晶棒2和原料棒1同軸設置；
b.采用光學浮區(qū)法，設置光學浮區(qū)爐，如圖1所示，光學浮區(qū)爐主要有三個部分構成:加熱系統3、機械控制系統和氣氛控制系統，加熱系統是鹵素碘鎢燈或氙燈，其加熱溫度分別最高達到2200°C和2800°C;啟動旋轉系統，控制轉速為10~30 rpm，控制空氣氣流流量在
2-6 L/min之間，在自動升功率至45%后，繼續(xù)采用手動升功率，待料棒熔化均勻后，開始對接料棒和籽晶棒，待熔區(qū)4穩(wěn)定后，以5 mm/h的速度穩(wěn)定生長晶體材料，生長晶體材料結束后，緩慢降至室溫，最終制得純相的直徑為7mm且長度為35mm的大尺寸Mn4Nb209單晶材料。
[0009]在本實施例中，參見圖1，采用光學浮區(qū)法一步直接成功制備了 Mn4Nb209單晶，所得的單晶表面不論光潔度、致密度、均勻性都很理想。本實施例Mn4Nb209在料棒燒結過程中得到的可以不是單相材料，而是MnNb206和Μη 304的混合相，米用該混合相的料棒和軒晶在Ar氣保護下生長，一步直接獲得了純相的Mn4Nb209單晶。本實施例制備Mn 4Nb209單晶方法的優(yōu)勢在于無腐蝕，無污染，晶體完整性好，質量很高，晶體生長效率高，可重復性好。
[0010]上面結合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據本發(fā)明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明采用一步法直接生長磁電材料Mn4Nb209單晶的方法的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種采用一步法直接生長磁電材料Mn 4Nb209單晶的方法，其特征在于，包括如下步驟: ①多晶棒的制備和預合成工藝: a.采用純度為3N以上的MnCO#PNb 205作為初始原料，并將MnCO 3與Nb 205按摩爾比為4:1的比例進行配比，在將按上述成份配比的混合料進行研磨和充分混合后，將混合料置于高溫爐內，在Ar氣保護氣氛條件下和900°C的溫度下燒結12 h，然后隨爐自然降至室溫，得到預燒結原料備用； b.將在所述步驟a中制備的預燒結原料進行研磨得到，再將研磨后的多晶料粉放入模具中，在50-200 MPa壓力下等靜壓成型，制備成分為MnNb206和Μη304的混合相的原料棒； ②一步法單晶生長工藝: a.將一根原料料棒固定在下方籽晶桿的座臺上作為籽晶棒，將另外一根原料棒懸掛在上方料桿的掛鉤上作為料棒，然后調整好籽晶棒和料棒之間的相對位置，保證籽晶棒和料棒同軸設置； b.采用光學浮區(qū)法，啟動旋轉系統，控制轉速為10~30rpm，控制空氣氣流流量在2-6L/min之間，在自動升功率至45%后，繼續(xù)采用手動升功率，待料棒熔化均勻后，開始對接料棒和籽晶棒，待熔區(qū)穩(wěn)定后，以5 mm/h的速度穩(wěn)定生長晶體材料，生長晶體材料結束后，緩慢降至室溫，最終制得純相的Mn4Nb209單晶。2.根據權利要求1所述采用一步法直接生長磁電材料Mn4Nb209單晶的方法，其特征在于:在所述步驟②中，最終制得純相的直徑不低于7mm且長度不低于35mm的大尺寸Mn4Nb209單晶材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用一步法直接生長磁電材料Mn4Nb2O9單晶的方法，其步驟為：初始原料采用純度為3N以上的MnCO3與Nb2O5按摩爾比4:1制備料棒即上棒和下棒；置于高溫爐內在900℃、在Ar氣保護下燒結12h，隨爐自然降至室溫；得到的料棒在光學浮區(qū)爐生長單晶。該方法的特點是所得的單晶表面不論光潔度、致密度、均勻性都很理想；本發(fā)明Mn4Nb2O9在料棒預合成過程中得到的是MnNb2O6和Mn3O4的混合相，采用該混合相的料棒和籽晶在Ar氣保護下生長，一步直接獲得了純相的Mn4Nb2O9單晶。制得的大尺寸單晶將為后續(xù)的基礎研究和器件應用提供技術基礎。
【IPC分類】C30B13/00, C30B29/30
【公開號】CN105332057
【申請?zhí)枴緾N201510659844
【發(fā)明人】曹義明, 曹世勛, 向茂林, 康保娟, 張金倉
【申請人】上海大學
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年10月14日