權利要求
1.一種鈮酸
鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，包括如下步驟：
將鈮酸鋰晶體的兩端分別與極化電源的正負極連接;
將所述鈮酸鋰晶體的正負極接地，之后對所述鈮酸鋰晶體進行退火處理，退火結束后降溫至1190℃~1210℃;
將接地線斷開，之后基于如下預設加電場程序對所述鈮酸鋰晶體施加電場：所述極化電源的電流設定值I每1s~60s改變一次，在0.5h~4h內從0線性增加至I0，根據公式R=U1/I1計算出所述鈮酸鋰晶體的電阻R，其中，I1和U1分別為所述極化電源顯示的電流和電壓;所述極化電源的電壓設定值U自初始電壓設定值以不超過2V/min的速率，根據公式U=I*R*1.1隨電流的變化而變化，其中所述極化電源的初始電壓設定值不超過1V，當電流設定值增加到I0后，所述極化電源的設定值暫時不再變化，此時電壓設定值為U0;電場穩定后降溫至1000℃以下，在0.5h~4h內，將電壓設定值從U0線性降至0;以及
對所述鈮酸鋰晶體的正負極進行放電，放電結束后，將所述鈮酸鋰晶體的正負極接地，降至室溫。
2.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，將鈮酸鋰晶體的兩端分別與極化電源的正負極連接的操作為：將鈮酸鋰晶體置于第一極化帽和第二極化帽之間，所述第一極化帽遠離所述鈮酸鋰晶體的一側覆設有電極皿，所述第二極化帽遠離所述鈮酸鋰晶體的一側覆設有電極片，所述電極皿和所述電極片分別與極化電源的正負極連接。
3.根據權利要求2所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，所述第一極化帽包括鈮酸鋰砂或者鈮酸鋰泥，所述第二極化帽包括鈮酸鋰泥;
所述鈮酸鋰泥包括按照平均粒徑和質量份數的如下組分：
第一鈮酸鋰多晶砂[0.15mm~0.35mm)1份~2份;
第二鈮酸鋰多晶砂[0.35mm~0.65mm)1份~2份;以及
第三鈮酸鋰多晶砂[0.65mm~1mm]1份~2份。
4.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，對所述鈮酸鋰晶體進行退火處理的操作為：以10℃/h~60℃/h的升溫速率，升溫至1220℃~1260℃后保溫12h~36h進行退火。
5.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，退火結束后降溫至1190℃~1210℃的操作中，在1190℃~1210℃的溫度條件下保溫4h~10h。
6.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，所述鈮酸鋰晶體以Z向垂直放置于退火爐中且沿晶體生長方向極化，極化電流的計算公式如下：
I0=晶體半徑^2*3.14*電流密度。
7.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，所述鈮酸鋰晶體以X向或者Y向水平放置于退火爐中且沿垂直于晶體生長方向極化，極化電流的計算公式如下：
I0=晶體長度*晶體直徑*電流密度。
8.根據權利要求6或者7所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，所述電流密度為1mA/cm^2~5mA/cm^2。
9.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，所述電場穩定后降溫至1000℃以下的操作為：保持電場0.5h~4h后，以10℃/h~60℃/h的降溫速率降至1000℃以下。
10.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，其特征在于，所述極化電源的初始電壓設定值為0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V或者0.9V。
說明書
技術領域
[0001]本發明涉及鈮酸鋰晶體極化技術領域，特別是涉及一種鈮酸鋰晶體的退火極化方法。
背景技術
[0002]鈮酸鋰單晶(LiNbO3，LN)是一種性能優良的多功能人工晶體材料，它是已知居里溫度最高和自發極化最大的鐵電體，并且表現出了集合電、光、非線性等性能于一身的特性，是不可多得的、應用廣泛的人工晶體。由于鈮酸鋰良好的壓電性能、非線性光學性能、電光及光折變性能等，使其在聲表面波器件、紅外探測器、光學開關、聲光、壓電等方面有著廣泛的應用。
[0003]生長完成的鈮酸鋰晶體一般黃白或黃綠色，在晶體生長的過程中晶體內部存在熱應力，影響著晶體的光學均勻性，殘余的熱應力會增加晶體加工的難度，對于晶體的光學測試也帶來不便，因此我們需要通過退火工藝解決晶體內部殘余應力的問題。通過退火，使晶體具有了更高的光學均勻性，同時也可以減小晶體內部的熱應力，使晶體具有更穩定的物理化學性質。
[0004]生長完成的晶體一般呈現多疇結構，多疇結構嚴重影響了鈮酸鋰晶體的光學特性，因此我們需要對鈮酸鋰晶體通入電流對鈮酸鋰晶體極化，通過極化工藝使鈮酸鋰晶體單疇化，提高了鈮酸鋰晶體的光學性能。
[0005]目前行業內使用的工藝均需將晶體進行前道加工處理，即將晶體頭尾切掉，此過程晶體極易開裂，造成產品報廢?；诖?，行業內普遍的做法是，先將生長出來的晶體進行退火處理，即升溫至1240℃左右保溫10h~30h，退火后進行前道加工切去頭尾，然后在再進行極化。此方案周期長，且晶體退火仍有開裂風險，尤其是在冬季，鈮酸鋰熱釋電性能較好，極易由于溫度變化造成開裂。
發明內容
[0006]基于此，有必要針對如何減少由于晶體熱釋電效應導致晶體退火極化和取爐過程中的開裂問題，提供一種鈮酸鋰晶體的退火極化方法。
[0007]一種鈮酸鋰晶體的退火極化方法，包括如下步驟：
將鈮酸鋰晶體的兩端分別與極化電源的正負極連接;
將所述鈮酸鋰晶體的正負極接地，之后對所述鈮酸鋰晶進行退火處理，退火結束后降溫至1190℃~1210℃;
將接地線斷開，之后基于如下預設加電場程序對所述鈮酸鋰晶體施加電場：所述極化電源的電流設定值I每1s~60s改變一次，在0.5h~4h內從0線性增加至I0，根據公式R=U1/I1計算出所述鈮酸鋰晶體的電阻R，其中，I1和U1分別為所述極化電源顯示的電流和電壓;所述極化電源的電壓設定值U自初始電壓設定值以不超過2V/min的速率，根據公式U=I*R*1.1隨電流的變化而變化，其中所述極化電源的初始電壓設定值不超過1V，當電流設定值增加到I0后，所述極化電源的設定值暫時不再變化，此時電壓設定值為U0;電場穩定后降溫至1000℃以下，在0.5h~4h內，將電壓設定值從U0線性降至0;以及
對所述鈮酸鋰晶體的正負極進行放電，放電結束后，將所述鈮酸鋰晶體的正負極接地，降至室溫。
[0008]本發明技術方案的鈮酸鋰晶體的退火極化方法工藝簡單，與傳統的退火和極化工藝相比，本發明將退火和極化作為一道工序同時做，其中，極化工藝中同時控制電流設定值和電壓設定值，防止鈮酸鋰晶體電阻變化或者電源讀數錯誤導致的實際電壓的急劇變化而導致的鈮酸鋰晶體開裂問題。本發明完成極化后再進行前道加工，不僅減少了工序，有利于提高效率，還能夠提高前道加工成品率，從而減少由于晶體熱釋電效應導致晶體退火極化和取爐過程中的開裂問題。
[0009]在一個可行的實現方式中，將鈮酸鋰晶體的兩端分別與極化電源的正負極連接的操作為：將鈮酸鋰晶體置于第一極化帽和第二極化帽之間，所述第一極化帽遠離所述鈮酸鋰晶體的一側覆設有電極皿，所述第二極化帽遠離所述鈮酸鋰晶體的一側覆設有電極片，所述電極皿和所述電極片分別與極化電源的正負極連接。
[0010]在一個可行的實現方式中，所述第一極化帽包括鈮酸鋰砂或者鈮酸鋰泥，所述第二極化帽包括鈮酸鋰泥;
所述鈮酸鋰泥包括按照平均粒徑和質量份數的如下組分：
第一鈮酸鋰多晶砂[0.15mm~0.35mm)1份~2份;
第二鈮酸鋰多晶砂[0.35mm~0.65mm)1份~2份;以及
第三鈮酸鋰多晶砂[0.65mm~1mm]1份~2份。
[0011]在一個可行的實現方式中，對所述鈮酸鋰晶體進行退火處理的操作為：以10℃/h~60℃/h的升溫速率，升溫至1220℃~1260℃后保溫12h~36h進行退火。
[0012]在一個可行的實現方式中，退火結束后降溫至1190℃~1210℃的操作中，在1190℃~1210℃的溫度條件下保溫4h~10h。
[0013]在一個可行的實現方式中，所述鈮酸鋰晶體以Z向垂直放置于退火爐中且沿晶體生長方向極化，極化電流的計算公式如下：
I0=晶體半徑^2*3.14*電流密度。
[0014]在一個可行的實現方式中，所述鈮酸鋰晶體以X向或者Y向水平放置于退火爐中且沿垂直于晶體生長方向極化，極化電流的計算公式如下：
I0=晶體長度*晶體直徑*電流密度。
[0015]在一個可行的實現方式中，所述電流密度為1mA/cm^2~5mA/cm^2。
[0016]在一個可行的實現方式中，所述電場穩定后降溫至1000℃以下的操作為：保持電場0.5h~4h后，以10℃/h~60℃/h的降溫速率降至1000℃以下。
[0017]在一個可行的實現方式中，所述極化電源的初始電壓設定值為0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V或者0.9V。
附圖說明
[0018]圖1為本發明一實施方式的鈮酸鋰晶體的退火極化方法的流程圖;
圖2為本發明一實施方式的鈮酸鋰晶體的退火極化設備和鈮酸鋰晶體的示意圖;
圖3為本發明一實施方式的退火爐、電極皿、第一極化帽、第二極化帽、電極片和鈮酸鋰晶體的正視圖;
圖4為本發明一實施方式的退火爐、電極皿、第一極化帽、第二極化帽、電極片和鈮酸鋰晶體的俯視圖;
圖5為本發明另一實施方式的鈮酸鋰晶體的退火極化設備和鈮酸鋰晶體的示意圖;
圖6為本發明另一實施方式的退火爐、電極皿、第一極化帽、第二極化帽、電極片和鈮酸鋰晶體的正視圖;
圖7為本發明另一實施方式的退火爐、電極皿、第一極化帽、第二極化帽、電極片和鈮酸鋰晶體的俯視圖。
具體實施方式
[0019]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0020]需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。
[0021]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0022]請參見圖1，本發明一實施方式的鈮酸鋰晶體的退火極化方法，包括如下步驟：
S10、將鈮酸鋰晶體的兩端分別與極化電源的正負極連接。
[0023]請一并結合圖2~圖4，提供一實施方式的鈮酸鋰晶體的退火極化設備100，包括電極皿110、第一極化帽120、第二極化帽130、電極片140、退火爐150、極化電源160和電源控制模塊170。其中，電極皿110和電極片140分別與極化電源160的正負極連接。其中，退火爐150包括爐體151、加熱元件152和承燒板153。具體的，加熱元件152為若干U型硅鉬棒，若干U型硅鉬棒均勻分布于靠近爐體151的位置。承燒板153位于電極皿110的下方，承燒板153用于支撐電極皿110、第一極化帽120、第二極化帽130、電極片140和鈮酸鋰晶體200。此外，退火爐150還可以包括測溫元件(未圖示)，例如鉑銠熱電偶。
[0024]在一個可行的實現方式中，將鈮酸鋰晶體200的兩端分別與極化電源160的正負極連接的操作為：將鈮酸鋰晶體200置于第一極化帽120和第二極化帽130之間，第一極化帽110遠離鈮酸鋰晶體200的一側覆設有電極皿110，第二極化帽130遠離鈮酸鋰晶體200的一側覆設有電極片140，電極皿110和電極片140分別與極化電源160的正負極連接。
[0025]其中，第一極化帽120的制備方法如下：選取合適尺寸的電極皿110，并在電極皿110上連接極化導線;在電極皿110內裝填不同粒徑的鈮酸鋰砂，粗砂在下，細砂在上，例如下層0.65mm的鈮酸鋰多晶砂，上層是0.35mm的鈮酸鋰多晶砂，防止晶體被多晶砂硌裂;對于甩尾或凸底嚴重的鈮酸鋰晶體200，可使用極化膠水與鈮酸鋰多晶砂按一定比例混合，做成類似橡皮泥狀的鈮酸鋰泥，用其將鈮酸鋰晶體200支撐固定;確保鈮酸鋰晶體200的底部與位于下方的第一極化帽120完全接觸，且鈮酸鋰晶體200的任何位置都不與電極皿110直接接觸，第一極化帽120制作完畢。
[0026]其中，第二極化帽130的制備方法如下：用不同粒徑的鈮酸鋰砂和極化膠水按一定比例進行混合，做成類似橡皮泥狀的鈮酸鋰泥，將其蓋在鈮酸鋰晶體200的上表面，手工制作成大小與鈮酸鋰晶體200直徑接近，與鈮酸鋰晶體200緊密接觸，能保持形狀不變且不易散開的第二極化帽130，并且第二極化帽130的厚度大于鈮酸鋰晶體200的肩部高度，以保證鈮酸鋰晶體200的任何位置都不會與位于上方的電極片140直接接觸，將電極片140蓋在第二極化帽130的上面，要保證電極片140與第二極化帽130緊密接觸。
[0027]其中，極化膠水由高分子化合物(分子量2000~50000)與純凈水混合得到，高分子化合物例如可以為淀粉、纖維素粉、羧甲基纖維素等。進一步地，鈮酸鋰泥包括按照平均粒徑和質量份數的如下組分：
第一鈮酸鋰多晶砂[0.15mm~0.35mm)1份~2份;
第二鈮酸鋰多晶砂[0.35mm~0.65mm)1份~2份;以及
第三鈮酸鋰多晶砂[0.65mm~1mm]1份~2份。
[0028]本實施方式中，第一鈮酸鋰多晶砂、第二鈮酸鋰多晶砂和第三鈮酸鋰多晶砂的平均粒徑依次增大，三者之間能夠相互匹配，使得制備得到的鈮酸鋰泥能夠與晶體緊密接觸，保持形狀不變且不易散開。
[0029]將做好第一極化帽120和第二極化帽130的鈮酸鋰晶體200放入退火爐150內，根據鈮酸鋰晶體200的實際情況，如上下是否存在微裂紋、熱釋電的電勢正負等，將鈮酸鋰晶體200通過極化導線連在極化電源160的正負極。
[0030]具體到本實施方式中，鈮酸鋰晶體200以Z向垂直放置于退火爐150中，此時沿晶體生長方向極化(即立式極化)。需要說明的是，本發明的鈮酸鋰晶體的退火極化方法中，鈮酸鋰晶體200還可以以X向或者Y向水平放置于退火爐150中，此時沿垂直于晶體生長方向極化(即臥式極化)，如圖5~圖7所示。
[0031]S20、將鈮酸鋰晶體的正負極接地，之后對鈮酸鋰晶體進行退火處理，退火結束后降溫至1190℃~1210℃。
[0032]由于鈮酸鋰晶體存在放電行為，故加電場之前要將鈮酸鋰晶體的正負極都接地。
[0033]在一個可行的實現方式中，對鈮酸鋰晶體進行退火處理的操作為：以10℃/h~60℃/h的升溫速率，升溫至1220℃~1260℃后保溫12h~36h進行退火。進一步地，升溫速率可以但不限于是10℃/h、20℃/h、30℃/h、40℃/h、50℃/h或者60℃/h，升溫后的溫度可以但不限于是1220℃、1230℃、1240℃、1250℃或者1260℃，保溫時間可以但不限于是12h、15h、18h、20h、24h、30h或者36h。
[0034]在一個可行的實現方式中，退火結束后降溫至1190℃~1210℃的操作中，在1190℃~1210℃的溫度條件下保溫4h~10h。進一步地，保溫溫度可以但不限于是1190℃、1195℃、1200℃、1205℃或者1210℃，保溫時間可以但不限于是4h、5h、6h、7h、8h、9h或者10h。
[0035]S30、將接地線斷開，之后基于如下預設加電場程序對鈮酸鋰晶體施加電場：極化電源的電流設定值I每1s~60s改變一次，在0.5h~4h內從0線性增加至I0，根據公式R=U1/I1計算出鈮酸鋰晶體的電阻R，其中，I1和U1分別為極化電源顯示的電流和電壓;極化電源的電壓設定值U自初始電壓設定值以不超過2V/min的速率，根據公式U=I*R*1.1隨電流的變化而變化，其中極化電源的初始電壓設定值不超過1V，當電流設定值增加到I0后，極化電源的設定值暫時不再變化，此時電壓設定值為U0;電場穩定后降溫至1000℃以下，在0.5h~4h內，將電壓設定值從U0線性降至0。
[0036]步驟S30中，極化工藝中同時控制電流設定值和電壓設定值。防止電壓設定值給的不夠，本發明有兩個設定值，分別是電流設定值和電壓設定值，加電場的實際電流和電壓不會超過設定值，本發明的電壓設定值U=I*R*1.1，這樣設置的原因是傾向于優先電流要滿足極化要求，但是晶體電阻在極化過程中是在變化的，電壓設定值通常是為了保護晶體，根據實時的電流大小和晶體電阻來限制最大電壓，經過發明人的創造性研究發現系數1.1最合適，同時還有一個2V/min的最大變化率的限制，如果系數大于1.1，電壓設定值就會一直按照2V/min變化，因此，基于系數1.1能夠低于2V/min的速率，既能夠保證電壓最大的設定值給夠，也能夠防止晶體電阻變化，或者電源讀數錯誤導致的實際電壓的急劇變化。
[0037]在一個可行的實現方式中，極化電源的初始電壓設定值為0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V或者0.9V。當然，極化電影的初始電壓設定值不限于此，還可以為大于0小于1V之間的任意數值。
[0038]在一個可行的實現方式中，鈮酸鋰晶體200以Z向垂直放置于退火爐中且沿晶體生長方向極化(即立式極化)，如圖2~圖4所示，極化電流的計算公式如下：
I0=晶體半徑^2*3.14*電流密度。
[0039]在一個可行的實現方式中，鈮酸鋰晶體200以X向或者Y向水平放置于退火爐中且沿垂直于晶體生長方向極化(即臥式極化)，如圖5~圖7所示，極化電流的計算公式如下：
I0=晶體長度*晶體直徑*電流密度。
[0040]在一個可行的實現方式中，電流密度為1mA/cm^2~5mA/cm^2。進一步地，電流密度可以但不限于是1mA/cm^2、2mA/cm^2、3mA/cm^2、4mA/cm^2或者5mA/cm^2。
[0041]在一個可行的實現方式中，電場穩定后降溫至1000℃以下的操作為：保持電場0.5h~4h后，以10℃/h~60℃/h的降溫速率降至1000℃以下。進一步地，1000℃以下可以但不限于是990℃、980℃、970℃、960℃、950℃、940℃、930℃、920℃、910℃或者900℃。
[0042]本實施方式中，實現了自動化控制電流和電壓，控制結果更準確，有利于極化效果。
[0043]S40、對鈮酸鋰晶體的正負極進行放電，放電結束后，將鈮酸鋰晶體的正負極接地，降至室溫。
[0044]其中，對鈮酸鋰晶體的正負極進行放電的操作為：使用變阻器，變阻器的兩端分別連接鈮酸鋰晶體的正負極，初始電阻在100Ω~500Ω左右，在一分鐘左右的時間，均勻的將電阻降為0。
[0045]其中，將鈮酸鋰晶體200的正負極接地后，將退火爐150斷電快速降溫。降至室溫后將退火極化后的鈮酸鋰晶體200取出，室溫例如可以為15℃~35℃。
[0046]本發明技術方案的鈮酸鋰晶體的退火極化方法工藝簡單，與傳統的退火和極化工藝相比，本發明將退火和極化作為一道工序同時做，其中，極化工藝中同時控制電流設定值和電壓設定值，防止鈮酸鋰晶體電阻變化或者電源讀數錯誤導致的實際電壓的急劇變化而導致的鈮酸鋰晶體開裂問題。本發明完成極化后再進行前道加工，不僅減少了工序，有利于提高效率，還能夠提高前道加工成品率，從而減少由于晶體熱釋電效應導致晶體退火極化和取爐過程中的開裂問題。
[0047]以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。
[0048]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
說明書附圖(7)
聲明：
“鈮酸鋰晶體的退火極化方法” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：中冶有色網
來源：蘇州南智芯材科技有限公司
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2025年04月25日 ~ 27日 
