氧化碲（TeO₂）晶体生长工艺浅谈

TeO₂晶体是一种具有高品质因子的声光材料。该晶体为四方晶系，结晶形态为变形的金红石结构。它具有双折射性和旋光特性，旋光度为 87°/mm，光活性大，沿[110]方向传播的声速很小，仅为 616m∕s，比普通声光介的声速慢 5～6 倍，在相同的通光孔径下用TeO₂晶体制作的声光器件，其分辨率可以有数量级的提高。TeO₂晶体良好的声光性能是制作声光偏转器、调制器、谐振器、滤波器的理想材料。目前，TeO₂晶体还被多个国家物理实验室用来作为研究双β衰变的材料。

 TeO₂晶体的生长方法通常有两种：坩埚下降法和晶体提拉法。这两种方法都是从熔体中生长晶体。坩埚下降法又叫布里奇曼法。基本原理是将原料放入具有特殊形状的坩埚里，在结晶炉内加热使之熔化，然后使坩埚缓慢下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中自下而上的结晶为整块晶体。

坩埚下降法的特点：

1.     晶体的形状可以随坩埚的形状而定，适合异形晶体的生长

2.     可根据籽晶定向生长，也可自然成核生长。

3.     适合大尺寸、多数量的晶体生长，一炉可以同时生长几根或几十根不同规格尺寸的晶体。

4.     操作工艺比较简单。

坩埚下降法缺点：

1.坩埚下降法生长晶体时，炉膛内径向温度分布不够均匀，因此生长出的晶体质量很难进一步提高。

2.晶体生长的全过程都在坩埚内进行，不便于直接观察晶体的生长情况。

3.晶体在坩埚内结晶过程中易产生坩埚对晶体的压应力和寄生成核，所以对坩埚的内表面光洁度有较高的要求。

4.生长过程中的提纯作用差，对原料的纯度要求高。

提拉法的主要优点是：

在晶体生长过程中，可以方便地观察晶体的生长状况；晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”技术工艺，以得到完整的晶体和所需取向的晶体。

由以上两种晶体生长方法对比可知，坩埚下降法具有能够生长大尺寸、异形晶体和工艺操作简单的优点，但是和提拉法相比，坩埚下降法存在径向温度分布不均匀、缺乏进一步的提纯效果以及对原料纯度和坩埚内表面光洁度要求高等缺点，晶体质量很难进一步提高。相比而言，提拉法有其优点，如炉内的径向温度比较均匀，且在晶体生长时有一定的再提纯作用，具备进一步提高晶体质量的潜力。目前，国外基本上均是采用提拉法生长TeO₂晶体。

TeO₂晶体在生长过程中有特定的自身因素，比如TeO₂在450°C左右开始升华，在熔点附近蒸汽压力较高，挥发严重；由于TeO₂熔点低、粘度大，晶体中易产生气泡、云层、散射等缺陷，使用提拉法调节拉速和转速可以避免这些缺陷；籽晶取向沿[100]、[001]、[110]方向都能拉出单晶，但不同方向生长速率有明显的各异性，沿[001]方向的生长速率很大，会在晶体中出现晶界，沿[110]方向生长并选择优质的籽晶可以生长出高质量的晶体。

多年来，我们一直深入开展提拉法生长TeO₂晶体的试验研究，如TeO₂晶体的生长工艺参数与晶体开裂、晶体缺陷和晶体闪射之间的内在关系，晶体生长参数与固液界面形态的关系及界面形态与晶体质量的关系及籽晶的定向、切向问题等等，现生长出高质量、大直径、声光质量因素好的TeO₂晶体。公司下一步将对TeO₂晶体掺杂问题开展深入研究。