鉭酸鉀（KTaO-,3-）晶體的生長、表征及其應用.pdf

1、隨著通訊、信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，各種光電子元件得到快速的發(fā)展并趨于高性能化。為此，對光電子元件的關鍵零件一基片的材料和加工精度提出了新的要求。要求基片晶體材料具有優(yōu)良的壓電、光電和熱電性能；對元件基片加工精度的要求甚至達到納米級；要求基片晶格具有無畸變的超光滑無損傷表面等?；砻娲嬖谌魏挝⑿∪毕荻紩茐木w材料表面性能，甚至導致其特性的變化，影響元件的工作精度和可靠性。此外，還要求高的加工成品率。光電子元件基片為典型的超薄零件，如手機聲

2、表面波濾波器基片厚度350 um，剛性差，難以有效滿足加工精度和加工質(zhì)量要求。因此，要滿足現(xiàn)代光電子元件苛刻的精度和表面質(zhì)量要求，如何獲得具有超光滑表面的基片，便成為從事該領域研究的人們多年來苦苦探尋的工藝問題。 鉭酸鉀(KTaO3)晶體是一種典型的鈣鈦礦型晶體，從室溫到熔點間無相變，具有不潮解，熱機械性能優(yōu)良等優(yōu)點，可以采用提拉法獲得大尺寸高質(zhì)量的單晶。此晶體與各種鈣鈦礦型氧化物超導薄膜具有良好的晶格匹配和結構匹配，在高溫下具

3、有較好的化學穩(wěn)定性、熱傳導性和絕緣性，在高額時具有很小的介電常數(shù)和損耗，是一種很有實際應用的高溫超導(High Temperature superConducIor)薄膜的襯底材料。由于晶體加工表面嚴重地影響在其表面所生長的高溫超導薄膜的性能，所以如何獲得超光滑無損傷的基片表面是一個亟待解決的問題。目前，實際生產(chǎn)所采用的機械拋光工藝存在拋光效率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、碎片率高等問題。目前對單晶KTaO3超精密加工技術的研究較少，沒有一套完整

4、的專門適合于單晶KTaO3的超精密加工工藝。因此，本文對KTaO3晶體的生長、結構、缺陷、基本性質(zhì)及其加工進行了系統(tǒng)的探索，其主要包括以下工作： 一、KTao3晶體生長采用純度為99.99％的K2CO3和Ta2O5通過固相反應合成出的KTaO3多晶原料，利用熔體提拉法成地生長出了一系列大尺寸、無開裂、高質(zhì)量的kTaO3單晶。 由于晶體生長是一個復雜的物理.化學過程，我們結合晶體生長熱力學和動力學規(guī)律，系統(tǒng)討論了影響晶體生

5、長和晶體質(zhì)量的主要因素。包括優(yōu)質(zhì)多晶原料的制備和建立合理溫場的設計：控制合適的生長工藝參數(shù)，選用優(yōu)質(zhì)籽晶，消除外界因素的影響等。同時針對不同因素的產(chǎn)生原因和影響特點，提出了相應的解決辦法。 二、KTaO3晶體組分、結構與缺陷利用JXA-8800型電子探針技術分別測量了K元素、Ta元素和O元素在生長的KTaO3單晶不同位置的濃度。測量結果表明在富K體系所生長的KTaO3單晶是非化學計量比的，組分均勻性良好不過仍存在氧空位缺陷。

6、 利用X射線粉末衍射和錐光干涉圖對生長的KTa03晶體進行了結構研究。根據(jù)X射線粉末衍射結果，確定生長的KTaO3晶體屬于立方晶系，利用Dicvol91計算立方晶胞參數(shù)為：a=3.9884 A。 采用化學腐蝕法和高分辨x射線衍射觀測了KTaO3晶體缺陷的完整性，并結合晶體生長探討了缺陷的形成機制，為生長優(yōu)質(zhì)晶體提供了依據(jù)。在KTaO3晶體中存在的主要缺陷為位錯和小角晶界。根據(jù)這些缺陷的形成機制，采取了相應措施，不斷改進生長工

7、藝條件，有效地減少或消除了晶體中的這些缺陷。 三、 KTaO3晶體的基本性質(zhì)測量了KTaO3晶體的密度、硬度、線性光學性質(zhì)和熱學性質(zhì)，并討論了這些基本性質(zhì)對晶體生長和應用的影響。 采用浮力法測得KTaO3晶體的密度為7.0146 g/cm3。利用莫氏硬度計測得KTaO3晶體的莫氏硬度為6左右。采用V型棱鏡法測量了KTaO3晶體在入射光波波長633 nm和1539 nm的折射率分別為2.2256和2.1520。利用Hita

8、chi U-3500型IR-UV分光光度計，測量了室溫下KTaO3晶體在340～3500 nm波段范圍內(nèi)的透過光譜，晶體在此波段的透過率為70～80％，僅在波長2875 nm附近有-OH吸收峰。 系統(tǒng)地研究了KTaO3晶體的熱學性質(zhì)。通過高溫差示掃描量熱儀，在303.15K～843.15K.的溫度范圍內(nèi)測得KTaO3晶體的比熱為KTaO3:0.371～0.385jg-1K-1(99.428～103.185 jmol-1k-1)。

9、采用熱膨脹儀在298.15～773.15K溫度范圍內(nèi)測量獲得ac=6.44x10-6/°c，aa=ab=6.63×10-6/°C。我們還測量了KTaO3晶體的熱擴散系數(shù)并計算了熱導率。在室溫附近，KTaO3晶體的熱擴散系數(shù)為3.259 mm2s-1；而該晶體在室溫下相應的熱傳導系數(shù)為8.551 Wm-1k-1。討論了熱學性質(zhì)對KTaO3晶體的生長和應用所產(chǎn)生的影響。 四、 KTaO3基片的超光滑表面加工用化學機械拋光(Chemi

10、cal Mechanical Polishing,CMP)方法加工單晶基片表面，通過化學和機械的交互作用去除表面損傷層，高效地獲得超光滑無損傷的單晶KTaO3基片表面。并在不同工藝參數(shù)下分別對單晶KTaO3基片進行CMP實驗，對比分析了不同工藝參數(shù)的作用機理及拋光效果，選擇出一種適合單晶KTaO3基片CMP的參數(shù)。通過正交實驗，對CMPT藝參數(shù)進行優(yōu)化，獲得了較好的基片表面質(zhì)量，表面粗糙度Ram值達到7.52 A(AFM測量結果)，提高