掺碳钇铝石榴石晶体及其两步法制备

摘要

本发明涉及激光晶体技术领域，公开了一种掺碳钇铝石榴石晶体及其两步法制备。本发明的掺碳钇铝石榴石晶体是在钇铝石榴石晶体中掺入碳元素。本发明还公开了该晶体的制备方法，包括如下步骤：将纯YAG晶体加工成YAG晶片，然后采用高纯碳作为蒸发源对纯YAG晶片进行扩散渗碳处理，制得掺碳钇铝石榴石晶体。本发明采用高纯碳作为蒸发源对纯YAG晶片进行扩散渗碳制备，能够避免制备过程中碳的挥发，该制备方法具有简单高效的特点。本发明中的掺C的YAG晶体具有很高的热释光和光释光灵敏度，在热释光或光释光剂量学领域有潜在应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于激光晶体领域，具体涉及一种掺碳钇铝石榴石晶体及其两步法制备。

背景技术

YAG晶体的矿物名称为掺碳钇铝石榴石，分子式为Y₃Al₅O₁₂。YAG晶体具有优良的物化和光学性能，是十分重要的衬底、窗口和基质材料。掺Nd的YAG晶体(Nd:YAG)是目前应用最为广泛的激光晶体；掺Ce的YAG晶体是性能优良的高光输出快衰减闪烁材料；掺Yb的YAG晶体是二极管泵浦全固态激光器的理想工作介质。但目前国内还没有对于掺碳钇铝石榴石晶体的相关报道。

YAG晶体熔点为～1970℃，属于高温氧化物晶体，生长较为困难。目前国内外制备YAG晶体主流的方法是提拉法(参见E.Kanchanavaleerat，et al.，Optical Materials，2004，26：337-341；姜腾雨等，人工晶体学报，1996，25(3)：205-211)；偶尔有采用坩埚下降法(参见Petrosyan A.G.Crystal growth of laser oxides in the vertical Bridgman configuration.J.Cryst.Growth，1994，139：372-392)和导向温梯法(参见Zhou Yongzong，J.Cryst.Growth，1986，78：31-35)生长YAG晶体的报道。对于掺碳的石榴石(YAG:C)晶体来说，由于高温下碳容易挥发，采用传统的工艺无法获得高掺碳量和掺杂均匀的YAG:C晶体，从而限制晶体的热释光和光释光剂量学性能，严重影响晶体的稳定性。基于在先技术在生长YAG:C晶体方面存在着局限性，因此，如何防止掺碳钇铝石榴石晶体制备过程中碳的挥发，已经成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺碳钇铝石榴石晶体(YAG:C晶体)及其两步法制备。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种掺碳钇铝石榴石晶体，其特征是在钇铝石榴石晶体中掺入碳无素。

优选的，所述掺碳钇铝石榴石晶体中，碳的掺杂量为晶体总质量的10～20000ppm。

更优选的，所述掺碳钇铝石榴石晶体中碳的掺杂量为晶体总质量的2000～8000ppm。

本发明的掺碳钇铝石榴石晶体的两步法制备包括如下步骤：先生长YAG晶体，将YAG晶体加工成YAG晶片，然后采用碳蒸发源对YAG晶片进行扩散渗碳处理，制得掺碳钇铝石榴石晶体。

优选的，所述YAG晶体由提拉法、下降法或温梯法生长制得。

所述提拉法、下降法或温梯法生长YAG晶体的方法，本领域技术人员可参考本领域现有技术进行确定。

所述提拉法、下降法或温梯法生长YAG晶体时所使用的各种原料的配比，本领域技术人员可以根据YAG晶体分子式中Y和Al的摩尔比进行确定。

优选的，所述YAG晶片为长度为5～15mm、厚度为1～5mm双面光学级抛光的YAG晶片。

所述YAG晶体可由常规方法加工成YAG晶片，如切割法。

所述碳蒸发源选自碳粉或石墨。

所述采用碳蒸发源对YAG晶片进行扩散渗碳处理在置于晶体炉中的密封坩埚中进行；处理温度为2000～2200K；处理时间为1～120h；处理过程中，晶体炉的炉压＜5×10^-3Pa。

优选的，所述扩散渗碳处理的处理温度为2143～2193K，处理时间为24～72h。

优选的，所述扩散渗碳处理在还原气氛中进行，所述还原气氛更优选为氢气气氛。

优选的，所述密封坩埚为钼坩埚。

优选的，所述晶体炉为钟罩式真空电阻炉，该炉体的内部结构包括坩锅，发热体，保温层。坩锅置于炉体的中心位置，下面有氧化锆陶瓷坩埚托，其周围是圆筒石墨发热体，发热体的外围有钼保温层，与发热体相连的电极板有支撑环支撑，在支撑环内有下保温屏，穿过下保温屏和电极板的中心伸到锅托内有冷却水支杆，测量温度的钨铼热电偶置于坩锅底部，炉体之外附真空系统，稳压电源和精密控温系统。

所述掺碳钇铝石榴石晶体中碳的掺杂量可以通过调整扩散渗碳处理的处理温度和处理时间来达到，扩散渗碳处理的处理温度越高，处理时间越长，则晶体中碳的掺杂量越高。

所述掺碳钇铝石榴石晶体中碳的掺杂量可以通过辉光放电质谱(Glow discharge massspectrum，简称GD-MS，产自热电公司，型号为VG9000型)进行检测。

本发明提供了一种掺碳钇铝石榴石晶体及其两步法制备。本发明通过碳的引入，在YAG晶体中产生一定浓度的氧空位，氧空位俘获电子产生大量的色心，为热释光和光释光过程的复合中心和陷阱能级，达到改进YAG晶体的热释光和光释光性能的目的。本发明采用高纯碳作为蒸发源对纯YAG晶片进行扩散渗碳制备，能够避免制备过程中碳的挥发，该制备方法具有简单高效的特点。本发明中的掺碳钇铝石榴石晶体具有很高的热释光灵敏度及光释光灵敏度，在热释光或光释光剂量学领域有潜在应用价值。

附图说明

图1制备YAG:C晶体所用渗碳坩埚示意图。

图2YAG:C晶体的热释光、光释光剂量响应曲线。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围。

实施例1：

分别秤取2.5mol即255克α-Al₂O₃、1.5mol即338.7克Y₂O₃，在行星球磨机上混合研磨24h，取出后冷干压成型备用。采用温梯法生长YAG晶体，选用[111]方向纯YAG做籽晶；生长区温度梯度在30K/cm；装炉后抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2253K，待原料熔化后恒温0.5h，以3K/h的降温速率降温熔体由籽晶处开始缓慢结晶，继续降温直到熔体完全结晶为止，再以40K的速率降温到室温，打开炉罩，取出晶体。

生长得到无色透明YAG晶体，无明显包裹物和气泡出现。沿[111]方向在晶体中切割5×5×1mm的晶片若干。在如图1所示的坩埚6的底部放入100g高纯碳粉7，将纯YAG晶片8至于坩埚6内带孔的支架9上，盖上坩埚盖10。

装炉，抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2000K，恒温1h对YAG晶片进行渗碳处理，处理过程在氢气还原气氛中进行，然后以70K的速率降温到室温，打开炉罩，取出晶体。晶体中的碳掺杂量可以通过辉光放电质谱来测量，结果显示该晶体中的碳掺杂量在10ppm左右。

处理后晶片略显微黄色，其热释光和光释光同样具有剂量线性响应。沿[111]方向在晶体中切割5×5×1mm的晶片，对抛光后样品的热释光和光释光性能作了测试。图2是YAG:C晶体的热释光剂量响应曲线和光释光剂量响应曲线，其中热释光剂量响应取的是200℃处发光峰的积分面积，光释光剂量响应取衰减曲线的积分面积。从图中可以看出，YAG:C晶体的热释光或光释光剂量响应呈现非常明显的线性特征，在辐射剂量学领域具有广阔的应用潜力。

实施例2：

分别秤取2.5mol即255克α-Al₂O₃、1.5mol即338.7克Y₂O₃，在行星球磨机上混合研磨24h，取出后冷干压成型备用。采用温梯法生长YAG晶体，选用[111]方向纯YAG做籽晶；生长区温度梯度在40K/cm左右；装炉后抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2253K，待原料熔化后恒温2h，以3K/h的降温速率降温熔体由籽晶处开始缓慢结晶，继续降温直到熔体完全结晶为止，再以70K的速率降温到室温，打开炉罩，取出晶体。

生长得到无色透明YAG晶体，无明显包裹物和气泡出现。沿[111]方向在晶体中切割5×5×1mm的晶片若干。在坩埚的底部放入100g高纯碳粉，将纯YAG晶片至于坩埚内带孔的支架上，盖上坩埚盖。

装炉，抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2200K，恒温120h对YAG晶片进行渗碳处理，处理过程在氢气还原气氛中进行，然后以70K的速率降温到室温，打开炉罩，取出晶体。辉光放电质谱测量结果显示该晶体中的碳掺杂量在20000ppm左右，晶体颜色为深黄色，其热释光和光释光同样具有剂量线性响应。

实施例3：

YAG晶体的制备方法同实施例1。

沿[111]方向在制得的YAG晶体中切割5×5×5mm的晶片若干。在坩埚的底部放入100g碳粉，将YAG晶片置于坩埚内带孔的支架上，盖上坩埚盖。

装炉，抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2000K，恒温40h对YAG晶片进行渗碳处理，处理过程在氢气还原气氛中进行，然后以70K的速率降温到室温，打开炉罩，取出晶体。晶体中的碳掺杂量可以通过辉光放电质谱来测量，结果显示该晶体中的碳掺杂量在2000ppm左右。

实施例4：

YAG晶体的制备方法同实施例1。

沿[111]方向在制得的YAG晶体中切割15×15×1mm的晶片若干。在坩埚的底部放入100g碳粉，将YAG晶片置于坩埚内带孔的支架上，盖上坩埚盖。

装炉，抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2150K，恒温80h对YAG晶片进行渗碳处理，处理过程在氢气还原气氛中进行，然后以70K的速率降温到室温，打开炉罩，取出晶体。晶体中的碳掺杂量可以通过辉光放电质谱来测量，结果显示该晶体中的碳掺杂量在8000ppm左右。