权利要求
1.一种铌酸
锂晶体的退火极化方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铌酸锂晶体的两端分别与极化电源的正负极连接;
将所述铌酸锂晶体的正负极接地，之后对所述铌酸锂晶体进行退火处理，退火结束后降温至1190℃~1210℃;
将接地线断开，之后基于如下预设加电场程序对所述铌酸锂晶体施加电场：所述极化电源的电流设定值I每1s~60s改变一次，在0.5h~4h内从0线性增加至I0，根据公式R=U1/I1计算出所述铌酸锂晶体的电阻R，其中，I1和U1分别为所述极化电源显示的电流和电压;所述极化电源的电压设定值U自初始电压设定值以不超过2V/min的速率，根据公式U=I*R*1.1随电流的变化而变化，其中所述极化电源的初始电压设定值不超过1V，当电流设定值增加到I0后，所述极化电源的设定值暂时不再变化，此时电压设定值为U0;电场稳定后降温至1000℃以下，在0.5h~4h内，将电压设定值从U0线性降至0;以及
对所述铌酸锂晶体的正负极进行放电，放电结束后，将所述铌酸锂晶体的正负极接地，降至室温。
2.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，将铌酸锂晶体的两端分别与极化电源的正负极连接的操作为：将铌酸锂晶体置于第一极化帽和第二极化帽之间，所述第一极化帽远离所述铌酸锂晶体的一侧覆设有电极皿，所述第二极化帽远离所述铌酸锂晶体的一侧覆设有电极片，所述电极皿和所述电极片分别与极化电源的正负极连接。
3.根据权利要求2所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，所述第一极化帽包括铌酸锂砂或者铌酸锂泥，所述第二极化帽包括铌酸锂泥;
所述铌酸锂泥包括按照平均粒径和质量份数的如下组分：
第一铌酸锂多晶砂[0.15mm~0.35mm)1份~2份;
第二铌酸锂多晶砂[0.35mm~0.65mm)1份~2份;以及
第三铌酸锂多晶砂[0.65mm~1mm]1份~2份。
4.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，对所述铌酸锂晶体进行退火处理的操作为：以10℃/h~60℃/h的升温速率，升温至1220℃~1260℃后保温12h~36h进行退火。
5.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，退火结束后降温至1190℃~1210℃的操作中，在1190℃~1210℃的温度条件下保温4h~10h。
6.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，所述铌酸锂晶体以Z向垂直放置于退火炉中且沿晶体生长方向极化，极化电流的计算公式如下：
I0=晶体半径^2*3.14*电流密度。
7.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，所述铌酸锂晶体以X向或者Y向水平放置于退火炉中且沿垂直于晶体生长方向极化，极化电流的计算公式如下：
I0=晶体长度*晶体直径*电流密度。
8.根据权利要求6或者7所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，所述电流密度为1mA/cm^2~5mA/cm^2。
9.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，所述电场稳定后降温至1000℃以下的操作为：保持电场0.5h~4h后，以10℃/h~60℃/h的降温速率降至1000℃以下。
10.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体的退火极化方法，其特征在于，所述极化电源的初始电压设定值为0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V或者0.9V。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及铌酸锂晶体极化技术领域，特别是涉及一种铌酸锂晶体的退火极化方法。
背景技术
[0002]铌酸锂单晶(LiNbO3，LN)是一种性能优良的多功能人工晶体材料，它是已知居里温度最高和自发极化最大的铁电体，并且表现出了集合电、光、非线性等性能于一身的特性，是不可多得的、应用广泛的人工晶体。由于铌酸锂良好的压电性能、非线性光学性能、电光及光折变性能等，使其在声表面波器件、红外探测器、光学开关、声光、压电等方面有着广泛的应用。
[0003]生长完成的铌酸锂晶体一般黄白或黄绿色，在晶体生长的过程中晶体内部存在热应力，影响着晶体的光学均匀性，残余的热应力会增加晶体加工的难度，对于晶体的光学测试也带来不便，因此我们需要通过退火工艺解决晶体内部残余应力的问题。通过退火，使晶体具有了更高的光学均匀性，同时也可以减小晶体内部的热应力，使晶体具有更稳定的物理化学性质。
[0004]生长完成的晶体一般呈现多畴结构，多畴结构严重影响了铌酸锂晶体的光学特性，因此我们需要对铌酸锂晶体通入电流对铌酸锂晶体极化，通过极化工艺使铌酸锂晶体单畴化，提高了铌酸锂晶体的光学性能。
[0005]目前行业内使用的工艺均需将晶体进行前道加工处理，即将晶体头尾切掉，此过程晶体极易开裂，造成产品报废。基于此，行业内普遍的做法是，先将生长出来的晶体进行退火处理，即升温至1240℃左右保温10h~30h，退火后进行前道加工切去头尾，然后在再进行极化。此方案周期长，且晶体退火仍有开裂风险，尤其是在冬季，铌酸锂热释电性能较好，极易由于温度变化造成开裂。
发明内容
[0006]基于此，有必要针对如何减少由于晶体热释电效应导致晶体退火极化和取炉过程中的开裂问题，提供一种铌酸锂晶体的退火极化方法。
[0007]一种铌酸锂晶体的退火极化方法，包括如下步骤：
将铌酸锂晶体的两端分别与极化电源的正负极连接;
将所述铌酸锂晶体的正负极接地，之后对所述铌酸锂晶进行退火处理，退火结束后降温至1190℃~1210℃;
将接地线断开，之后基于如下预设加电场程序对所述铌酸锂晶体施加电场：所述极化电源的电流设定值I每1s~60s改变一次，在0.5h~4h内从0线性增加至I0，根据公式R=U1/I1计算出所述铌酸锂晶体的电阻R，其中，I1和U1分别为所述极化电源显示的电流和电压;所述极化电源的电压设定值U自初始电压设定值以不超过2V/min的速率，根据公式U=I*R*1.1随电流的变化而变化，其中所述极化电源的初始电压设定值不超过1V，当电流设定值增加到I0后，所述极化电源的设定值暂时不再变化，此时电压设定值为U0;电场稳定后降温至1000℃以下，在0.5h~4h内，将电压设定值从U0线性降至0;以及
对所述铌酸锂晶体的正负极进行放电，放电结束后，将所述铌酸锂晶体的正负极接地，降至室温。
[0008]本发明技术方案的铌酸锂晶体的退火极化方法工艺简单，与传统的退火和极化工艺相比，本发明将退火和极化作为一道工序同时做，其中，极化工艺中同时控制电流设定值和电压设定值，防止铌酸锂晶体电阻变化或者电源读数错误导致的实际电压的急剧变化而导致的铌酸锂晶体开裂问题。本发明完成极化后再进行前道加工，不仅减少了工序，有利于提高效率，还能够提高前道加工成品率，从而减少由于晶体热释电效应导致晶体退火极化和取炉过程中的开裂问题。
[0009]在一个可行的实现方式中，将铌酸锂晶体的两端分别与极化电源的正负极连接的操作为：将铌酸锂晶体置于第一极化帽和第二极化帽之间，所述第一极化帽远离所述铌酸锂晶体的一侧覆设有电极皿，所述第二极化帽远离所述铌酸锂晶体的一侧覆设有电极片，所述电极皿和所述电极片分别与极化电源的正负极连接。
[0010]在一个可行的实现方式中，所述第一极化帽包括铌酸锂砂或者铌酸锂泥，所述第二极化帽包括铌酸锂泥;
所述铌酸锂泥包括按照平均粒径和质量份数的如下组分：
第一铌酸锂多晶砂[0.15mm~0.35mm)1份~2份;
第二铌酸锂多晶砂[0.35mm~0.65mm)1份~2份;以及
第三铌酸锂多晶砂[0.65mm~1mm]1份~2份。
[0011]在一个可行的实现方式中，对所述铌酸锂晶体进行退火处理的操作为：以10℃/h~60℃/h的升温速率，升温至1220℃~1260℃后保温12h~36h进行退火。
[0012]在一个可行的实现方式中，退火结束后降温至1190℃~1210℃的操作中，在1190℃~1210℃的温度条件下保温4h~10h。
[0013]在一个可行的实现方式中，所述铌酸锂晶体以Z向垂直放置于退火炉中且沿晶体生长方向极化，极化电流的计算公式如下：
I0=晶体半径^2*3.14*电流密度。
[0014]在一个可行的实现方式中，所述铌酸锂晶体以X向或者Y向水平放置于退火炉中且沿垂直于晶体生长方向极化，极化电流的计算公式如下：
I0=晶体长度*晶体直径*电流密度。
[0015]在一个可行的实现方式中，所述电流密度为1mA/cm^2~5mA/cm^2。
[0016]在一个可行的实现方式中，所述电场稳定后降温至1000℃以下的操作为：保持电场0.5h~4h后，以10℃/h~60℃/h的降温速率降至1000℃以下。
[0017]在一个可行的实现方式中，所述极化电源的初始电压设定值为0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V或者0.9V。
附图说明
[0018]图1为本发明一实施方式的铌酸锂晶体的退火极化方法的流程图;
图2为本发明一实施方式的铌酸锂晶体的退火极化设备和铌酸锂晶体的示意图;
图3为本发明一实施方式的退火炉、电极皿、第一极化帽、第二极化帽、电极片和铌酸锂晶体的正视图;
图4为本发明一实施方式的退火炉、电极皿、第一极化帽、第二极化帽、电极片和铌酸锂晶体的俯视图;
图5为本发明另一实施方式的铌酸锂晶体的退火极化设备和铌酸锂晶体的示意图;
图6为本发明另一实施方式的退火炉、电极皿、第一极化帽、第二极化帽、电极片和铌酸锂晶体的正视图;
图7为本发明另一实施方式的退火炉、电极皿、第一极化帽、第二极化帽、电极片和铌酸锂晶体的俯视图。
具体实施方式
[0019]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0020]需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0021]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0022]请参见图1，本发明一实施方式的铌酸锂晶体的退火极化方法，包括如下步骤：
S10、将铌酸锂晶体的两端分别与极化电源的正负极连接。
[0023]请一并结合图2~图4，提供一实施方式的铌酸锂晶体的退火极化设备100，包括电极皿110、第一极化帽120、第二极化帽130、电极片140、退火炉150、极化电源160和电源控制模块170。其中，电极皿110和电极片140分别与极化电源160的正负极连接。其中，退火炉150包括炉体151、加热元件152和承烧板153。具体的，加热元件152为若干U型硅钼棒，若干U型硅钼棒均匀分布于靠近炉体151的位置。承烧板153位于电极皿110的下方，承烧板153用于支撑电极皿110、第一极化帽120、第二极化帽130、电极片140和铌酸锂晶体200。此外，退火炉150还可以包括测温元件(未图示)，例如铂铑热电偶。
[0024]在一个可行的实现方式中，将铌酸锂晶体200的两端分别与极化电源160的正负极连接的操作为：将铌酸锂晶体200置于第一极化帽120和第二极化帽130之间，第一极化帽110远离铌酸锂晶体200的一侧覆设有电极皿110，第二极化帽130远离铌酸锂晶体200的一侧覆设有电极片140，电极皿110和电极片140分别与极化电源160的正负极连接。
[0025]其中，第一极化帽120的制备方法如下：选取合适尺寸的电极皿110，并在电极皿110上连接极化导线;在电极皿110内装填不同粒径的铌酸锂砂，粗砂在下，细砂在上，例如下层0.65mm的铌酸锂多晶砂，上层是0.35mm的铌酸锂多晶砂，防止晶体被多晶砂硌裂;对于甩尾或凸底严重的铌酸锂晶体200，可使用极化胶水与铌酸锂多晶砂按一定比例混合，做成类似橡皮泥状的铌酸锂泥，用其将铌酸锂晶体200支撑固定;确保铌酸锂晶体200的底部与位于下方的第一极化帽120完全接触，且铌酸锂晶体200的任何位置都不与电极皿110直接接触，第一极化帽120制作完毕。
[0026]其中，第二极化帽130的制备方法如下：用不同粒径的铌酸锂砂和极化胶水按一定比例进行混合，做成类似橡皮泥状的铌酸锂泥，将其盖在铌酸锂晶体200的上表面，手工制作成大小与铌酸锂晶体200直径接近，与铌酸锂晶体200紧密接触，能保持形状不变且不易散开的第二极化帽130，并且第二极化帽130的厚度大于铌酸锂晶体200的肩部高度，以保证铌酸锂晶体200的任何位置都不会与位于上方的电极片140直接接触，将电极片140盖在第二极化帽130的上面，要保证电极片140与第二极化帽130紧密接触。
[0027]其中，极化胶水由高分子化合物(分子量2000~50000)与纯净水混合得到，高分子化合物例如可以为淀粉、纤维素粉、羧甲基纤维素等。进一步地，铌酸锂泥包括按照平均粒径和质量份数的如下组分：
第一铌酸锂多晶砂[0.15mm~0.35mm)1份~2份;
第二铌酸锂多晶砂[0.35mm~0.65mm)1份~2份;以及
第三铌酸锂多晶砂[0.65mm~1mm]1份~2份。
[0028]本实施方式中，第一铌酸锂多晶砂、第二铌酸锂多晶砂和第三铌酸锂多晶砂的平均粒径依次增大，三者之间能够相互匹配，使得制备得到的铌酸锂泥能够与晶体紧密接触，保持形状不变且不易散开。
[0029]将做好第一极化帽120和第二极化帽130的铌酸锂晶体200放入退火炉150内，根据铌酸锂晶体200的实际情况，如上下是否存在微裂纹、热释电的电势正负等，将铌酸锂晶体200通过极化导线连在极化电源160的正负极。
[0030]具体到本实施方式中，铌酸锂晶体200以Z向垂直放置于退火炉150中，此时沿晶体生长方向极化(即立式极化)。需要说明的是，本发明的铌酸锂晶体的退火极化方法中，铌酸锂晶体200还可以以X向或者Y向水平放置于退火炉150中，此时沿垂直于晶体生长方向极化(即卧式极化)，如图5~图7所示。
[0031]S20、将铌酸锂晶体的正负极接地，之后对铌酸锂晶体进行退火处理，退火结束后降温至1190℃~1210℃。
[0032]由于铌酸锂晶体存在放电行为，故加电场之前要将铌酸锂晶体的正负极都接地。
[0033]在一个可行的实现方式中，对铌酸锂晶体进行退火处理的操作为：以10℃/h~60℃/h的升温速率，升温至1220℃~1260℃后保温12h~36h进行退火。进一步地，升温速率可以但不限于是10℃/h、20℃/h、30℃/h、40℃/h、50℃/h或者60℃/h，升温后的温度可以但不限于是1220℃、1230℃、1240℃、1250℃或者1260℃，保温时间可以但不限于是12h、15h、18h、20h、24h、30h或者36h。
[0034]在一个可行的实现方式中，退火结束后降温至1190℃~1210℃的操作中，在1190℃~1210℃的温度条件下保温4h~10h。进一步地，保温温度可以但不限于是1190℃、1195℃、1200℃、1205℃或者1210℃，保温时间可以但不限于是4h、5h、6h、7h、8h、9h或者10h。
[0035]S30、将接地线断开，之后基于如下预设加电场程序对铌酸锂晶体施加电场：极化电源的电流设定值I每1s~60s改变一次，在0.5h~4h内从0线性增加至I0，根据公式R=U1/I1计算出铌酸锂晶体的电阻R，其中，I1和U1分别为极化电源显示的电流和电压;极化电源的电压设定值U自初始电压设定值以不超过2V/min的速率，根据公式U=I*R*1.1随电流的变化而变化，其中极化电源的初始电压设定值不超过1V，当电流设定值增加到I0后，极化电源的设定值暂时不再变化，此时电压设定值为U0;电场稳定后降温至1000℃以下，在0.5h~4h内，将电压设定值从U0线性降至0。
[0036]步骤S30中，极化工艺中同时控制电流设定值和电压设定值。防止电压设定值给的不够，本发明有两个设定值，分别是电流设定值和电压设定值，加电场的实际电流和电压不会超过设定值，本发明的电压设定值U=I*R*1.1，这样设置的原因是倾向于优先电流要满足极化要求，但是晶体电阻在极化过程中是在变化的，电压设定值通常是为了保护晶体，根据实时的电流大小和晶体电阻来限制最大电压，经过发明人的创造性研究发现系数1.1最合适，同时还有一个2V/min的最大变化率的限制，如果系数大于1.1，电压设定值就会一直按照2V/min变化，因此，基于系数1.1能够低于2V/min的速率，既能够保证电压最大的设定值给够，也能够防止晶体电阻变化，或者电源读数错误导致的实际电压的急剧变化。
[0037]在一个可行的实现方式中，极化电源的初始电压设定值为0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V或者0.9V。当然，极化电影的初始电压设定值不限于此，还可以为大于0小于1V之间的任意数值。
[0038]在一个可行的实现方式中，铌酸锂晶体200以Z向垂直放置于退火炉中且沿晶体生长方向极化(即立式极化)，如图2~图4所示，极化电流的计算公式如下：
I0=晶体半径^2*3.14*电流密度。
[0039]在一个可行的实现方式中，铌酸锂晶体200以X向或者Y向水平放置于退火炉中且沿垂直于晶体生长方向极化(即卧式极化)，如图5~图7所示，极化电流的计算公式如下：
I0=晶体长度*晶体直径*电流密度。
[0040]在一个可行的实现方式中，电流密度为1mA/cm^2~5mA/cm^2。进一步地，电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]在一个可行的实现方式中，电场稳定后降温至1000℃以下的操作为：保持电场0.5h~4h后，以10℃/h~60℃/h的降温速率降至1000℃以下。进一步地，1000℃以下可以但不限于是990℃、980℃、970℃、960℃、950℃、940℃、930℃、920℃、910℃或者900℃。
[0042]本实施方式中，实现了自动化控制电流和电压，控制结果更准确，有利于极化效果。
[0043]S40、对铌酸锂晶体的正负极进行放电，放电结束后，将铌酸锂晶体的正负极接地，降至室温。
[0044]其中，对铌酸锂晶体的正负极进行放电的操作为：使用变阻器，变阻器的两端分别连接铌酸锂晶体的正负极，初始电阻在100Ω~500Ω左右，在一分钟左右的时间，均匀的将电阻降为0。
[0045]其中，将铌酸锂晶体200的正负极接地后，将退火炉150断电快速降温。降至室温后将退火极化后的铌酸锂晶体200取出，室温例如可以为15℃~35℃。
[0046]本发明技术方案的铌酸锂晶体的退火极化方法工艺简单，与传统的退火和极化工艺相比，本发明将退火和极化作为一道工序同时做，其中，极化工艺中同时控制电流设定值和电压设定值，防止铌酸锂晶体电阻变化或者电源读数错误导致的实际电压的急剧变化而导致的铌酸锂晶体开裂问题。本发明完成极化后再进行前道加工，不仅减少了工序，有利于提高效率，还能够提高前道加工成品率，从而减少由于晶体热释电效应导致晶体退火极化和取炉过程中的开裂问题。
[0047]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0048]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
说明书附图(7)
声明：
“铌酸锂晶体的退火极化方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：苏州南智芯材科技有限公司
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2025年04月25日 ~ 27日 
