藍崇文臺灣大學：化學工程學研究所伍哲毅Wu, Che-IChe-IWu2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52376高品質單晶的生長及摻雜控制乃至於製成的最佳化，對於非線性光學晶體在工業上應用扮有極為重要的角色。在傳統上，氧化物晶體的生長上多採用柴氏法生長，受到生長偏析的影響，晶體在軸向的組成濃度分佈不均，使用區熔法可以大幅改善軸向組成濃度分佈不均的問題。而且大部分的晶體生長方法還存在著直徑控制的問題，使用水平式生長，晶體直徑大小由坩鍋決定，無直徑控制問題。因此我們將使用水平區熔法(horizontal zone melting method，簡稱HZM法)，以等計量比鈮酸鋰單晶作為生長對象，來進行摻雜均勻的等計量比晶體生長。 在研究的過程中，我們將建立一套可視化的水平區熔系統，以不同的進料製作方式，利用浸入式加熱器加熱熔區；藉由修改熔區加熱的方法，以進行晶體的生長。並且利用系統熔區的可視化；使得晶體生長時接種更容易達成，以及可以觀察生長時界面形狀。Growing of high quality single crystal, controlling of dopant segregation, and optimizing the growing process play an important role in industrial application of nonlinear optical crystals. Traditionally, we usually adopt the Czochralski Method to get the oxide crystals. In this method, the segregation occurs during the process of growing oxide crystals, so the concentration of the crystals are nonuniform in axial direction. If we use the Zone Melting Method, we can improve the problem significantly. Although there’re still other ways to grow oxide crystals, most of them have difficulties to control the diameters of the crystals. In this way, we decided to use the Horizontal Zone Melting Method. In this research, our goal is to get uniform-doping and stoichiometric lithium niobate single crystal. In the researching process, we’ll build a Visual Horizontal Zone Melting system. In order to growing the crystals, we doped the same feeds which are formed by different methods and used the immerse heater in different ways to heat the melting zone. Because the melting zone is visible, it’s easier for us to accomplish the seeding and observe the shape of the interface during the growth of the crystals.中文摘要……………………………………………………………….Ⅰ Abstract………………………………………………………………….Ⅱ 目錄………………………………………………………………........Ⅲ 圖目錄……………………………………………………………........Ⅵ 表目錄……………………………………………………………........Ⅷ 第一章 緒論………………………………………………………........1 1.1簡介.…………………………………………………………….1 1.2 水平區熔法簡介…………………………………………...........2 1.3 加熱系統簡介……………………………………………….......3 1.4 文獻回顧…………………………………………………….......5 1.2-1 鈮酸鋰基本性質……………………………………………5 1.2-2 摻雜對鈮酸鋰性質的影響………………………………..11 1.2-3 鈮酸鋰單晶生長製程……………………………………..14 1.5 研究動機…………………………………………………….....17 第二章 實驗系統與流程………………………………………………19 2.1 實驗藥品…………………………………………………….....19 2.2 實驗系統與設備…………………………………………….....20 2.2-1水平式區熔系統…………………………………………...20 2.1-1.1預熱裝置………………………………………………24 2.1-1.2浸入式加熱器…………………………………………22 2.1-1.3 保溫裝置……………………………………………...26 2.1-1.4 白金舟………………………………………………...26 2.1-1.5 白金舟承載裝置……………………………………...27 2.1-1.6 傳送裝置……………………………………………...28 2.1-1.7 冷卻裝置……………………………………………...28 2.2-2 材料處理設備……………………………………………..29 2.2-2.1 乾式球磨機…………………………………………...29 2.2-2.2 材料壓錠設備………………………………………...29 2.2-2.3 燒結設備……………………………………………...30 2.2-3 其他設備…………………………………………………..31 2.2-3.1 X-ray定向儀……………………………………….......32 2.2-3.2研磨機…………………………………………………32 2.2-3.2 內緣切割機…………………………………………...32 2.3 實驗流程…………………………………………………….....32 2.3-1 材料的製備………………………………………………..33 2.3-2 浸入式加熱器浸入熔區與分離…………………………..37 2.3-3 晶體生長步驟……………………………………………..37 第三章 結果與討論……………………………………………………41 3.1 水平區熔系統之建立……………………………………….....41 3.1-1 浸入式加熱器的設計..………...……………………….....41 3.1-2 可視區的保溫設計………………………………………..42 3.1-3 溫場量測…………………………………………………..44 3.2 晶體生長…………………………………………………….....45 3.2-1 生長所得晶體…………………………………………......45 3.2-2 生長過程的問題…………………………………………..47 3.2-2.1 進料棒的製作………………………………………...47 3.2-2.2 熔料過程中的Soaking現象………………………….50 3.2-2.3 毛細現象……………………………………………...52 3.3 熔區及其界面形狀觀察……………………………………...53 第四章 結論……………………………………………………………58 參考文獻……………………………………………………………......60 圖目錄 圖1-1 水平區熔法概念圖………………………………………………3 圖1-2 透明水平式區融晶體生長爐……………………………………4 圖1-3 水平式區熔系統圖………………………………………………5 圖1-4 鈮酸鋰之相圖……………………………………………………8 圖1-5 等計量比鈮酸鋰熔湯濃度 CL與平衡時所得到的晶體濃度CS關係圖……………………………………………………………9 圖1-6 Li2O-Nb2O5雙成分系統在共熔組成區相圖……………….........6 圖1-7 Li2O-Nb2O5-MgO三元系相圖中鈮酸鋰結構……………….....13 圖2-1(a) 水平式區熔儀器圖………………………………………......21 圖2-1(b) 生長區域儀器圖……………………………………………..22 圖2-2 白金舟…………………………………………………………..22 圖2-3 浸入式加熱白金片……………………………………………..23 圖2-4 預熱裝置側視圖………………………………………………..25 圖2-5 熔區加熱裝置略圖……………………………………………..25 圖2-6 鍍金的石英片…………………………………………………..25 圖2-7 保溫裝置側視圖………………………………………………..27 圖2-8 承載白金舟的氧化鋁舟………………………………………..28 圖2-9 壓錠用的均壓機………..……………………………………....30 圖2-10(a) 燒結用高溫爐……………………………………………....31 圖2-10(b) 燒結用高溫爐(側視圖)…………………………………….31 圖2-11 鍛燒後的SLN(Li:Nb=1:1)…………………………………....35 圖2-12 壓錠前的進料棒……………………………………………....35 圖2-13 壓錠後的進料棒……………………………………………....36 圖2-14 燒結後的進料棒………………………………………………..36 圖2-15 浸入式熔化熔區材料概念圖………………………………....38 圖2-16(a) 白金舟內材料的擺設……………………………………....39 圖2-16(b) 子晶………………………………………………………....40 圖3-1 Silver, gold, aluminum, copper, rhodium, titanium 等薄膜的反射率與光波長的關係……………………………………………………..43圖3-2 水平區熔系統之軸向溫度分布及其用於晶體生長之區段…..45 圖3-3利用水平區熔系統生長所得晶體………………………………46 圖3-4 燒結棒升溫速率圖……………………………………………..49 圖3-5 未加入PVA燒結所得的燒結棒…………….…………………49 圖3-6 將熔區粉末填入熔區中………………...……………………...51 圖3-7 soaking現象……………………………….…………………….51 圖3-8 鈮酸鋰凝固在白金舟與氧化鋁舟之間………………………..49 圖3-9 白金加熱片浸入熔區燒結棒後所產生的熔區………………..54 圖3-10 將子晶回熔後熔區大小……………………………………....55 圖3-11 熔區液面下降造成熔區變小………………………………....55 圖3-12 大量的鈮酸鋰固體凝固在白金舟上………………………....56 圖3-13 生長速度過快造成凝固端界面不規則……………………....57 表目錄 表1-1 鈮酸鋰之物性…………………………………………………..102201391 bytesapplication/pdfen-US水平區熔晶體生長鈮酸鋰horizontal zone melting methodlithium niobatecyystal growththesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52376/1/ntu-93-R91524054-1.pdf