一种控制溶液晶体生长速率的方法.pdf

本发明公开了一种控制溶液晶体生长速率的方法，其使用由不锈钢筛网—疏水型的微孔滤膜—不锈钢筛网组成的三层结构作为结晶器顶盖的密封件，利用其透气、不透水的功能，并通过溶液蒸发法来控制晶体生长的速率。本发明通过在结晶器顶盖采用由疏水型微孔滤膜和不锈钢筛网组成的三层结构来密封结晶器，溶剂水蒸气可以通过疏水型微孔滤膜，但是液态的水不能通过，可解决生长液的外漏问题，同时通过控制溶液温度，籽晶的截面积，微孔滤膜孔径大小、面积大小，吸附剂用量来控制晶体的生长速度，同时也保证了结晶器的密封性要求，通过设定籽晶面积、生长温度、微孔滤膜的蒸发孔径、蒸发面积和吸附剂用量，即可获得结晶质量较好的单晶体。

1、  一种控制溶液晶体生长速率的方法，其特征在于，该方法使用由不锈钢筛网—疏水型的微孔滤膜—不锈钢筛网组成的三层结构作为结晶器顶盖的密封件，利用其透气、不透水的功能，并通过溶液蒸发法来控制晶体生长的速率。

2、  如权利要求1所述的控制溶液晶体生长速率的方法，其特征在于，所述疏水型微孔膜的孔径等于或小于10微米。

3、  如权利要求1所述的控制溶液晶体生长速率的方法，其特征在于，所述疏水型微孔膜的材质为聚四氟乙烯。

4、  如权利要求1所述的控制溶液晶体生长速率的方法，其特征在于，所述控制溶液晶体生长速率的方法中晶体生长溶液配置方法为：配制所需物质的室温近饱和溶液，将所需物质溶解在设定体积的水中，升温并不断搅拌使其全部溶解，在高于饱和温度10℃下进行过热处理24h，然后降温制成室温下的近饱和溶液。

5、  如权利要求1所述的控制溶液晶体生长速率的方法，其特征在于，所述控制溶液晶体生长速率的方法中，所述疏水型微孔膜和不锈钢筛网组成的三层结构和吸附剂配合使用，并结合晶体生长液的温度、籽晶的截面积、疏水型微孔膜的孔径大小、面积大小和吸附剂的用量来控制晶体生长速率。

一种控制溶液晶体生长速率的方法
技术领域
本发明涉及材料科学领域，尤其是一种控制溶液晶体生长速率的方法。
背景技术
空间微重力条件下晶体生长是研究无自然对流条件下晶体生长原理和方法的重要手段。对于非纯组元的二元或多元结晶体系、组成密度相差很大的晶体，在地面重力场下生长时由于组分分凝、分层等导致晶体中成分分布不均匀，从而产生生长条纹等缺陷，而在微重力条件下生长时由于重力驱动的自然对流消失了，因此能减少或者消除这些缺陷，从而获得高质量的单晶体；同时也可研究微重力条件对掺杂组分在主体成分中的溶解度的影响。因此开展空间晶体生长研究不仅具有十分重要的理论意义，而且也具有实际应用价值。
国外自上世纪七十年代开始进行空间溶液晶体生长研究工作，已经进行过多次空间溶液晶体生长实验。结晶装置从起初的简单结构逐渐发展到具有激光全息术和激光干涉与图像处理功能的复杂结构。EURECA空间实验平台上进行的溶液法晶体生长使用的结晶器由三个密封容器组成，左、右边的容器分别盛装阴、阳离子反应试剂，中间一个容器装缓冲溶液，通过扩散反应生长晶体，但所生长晶体的尺寸很有限。美国在空间溶液晶体生长的结晶器内，先用籽晶盖将籽晶盖住，与溶液隔开，生长时将籽晶盖打开，然后进行降温生长。总之，国外的这些空间溶液晶体生长都是在密封的结晶器内通过降温法实现的。
国内的空间溶液晶体生长开始于上世纪八十年代末。1988年以来，中国科学院物理研究所先后三次成功搭载我国返回式卫星，利用降温法进行碘酸锂(α-LiIO₃)晶体的空间溶液生长，在空间获得了多块质量明显优于地面的碘酸锂单晶体。溶液晶体生长方法包括：降温法，溶剂蒸发法，循环流动法，根据晶体溶解度的大小，溶解度温度系数的大小选择不同的生长方法。一般地对溶解度温度系数比较小及负溶解度温度系数的晶体，宜采取溶剂蒸发法生长。
在地面重力场下通过结晶器开孔很容易实现蒸发法溶液晶体生长，然而，在空间微重力下进行晶体生长的环境和地面有所不同，在空间没有上、下之分，所以结晶器需要密封，否则很难对溶剂的蒸发速率进行有效的控制，特别是难以避免生长母液流到结晶器的外面，影响晶体的正常生长(特别是发射过程中产生巨大振动时或者由于微重力水平波动而发生g跳时难免有生长溶液直接离开结晶器)。因此如何在保证结晶器密封性的同时，又能达到满足晶体生长速率要求的蒸发量，控制晶体生长速度成为实现蒸发法空间溶液晶体生长的关键。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于针对在空间(微重力)采用低温溶液蒸发法晶体生长中，解决晶体生长速率控制问题和溶液外漏问题，而提出的一种新方法。
为实现上述目的，本发明一种控制溶液晶体生长速率的方法，其使用由不锈钢筛网—疏水型的微孔滤膜—不锈钢筛网组成的三层结构作为结晶器顶盖的密封件，利用其透气、不透水的功能，并通过溶液蒸发法来控制晶体生长的速率。
进一步，所述疏水型微孔膜的孔径等于或小于10微米。
进一步，所述疏水型微孔膜的材质为聚四氟乙烯。
进一步，所述控制溶液晶体生长速率的方法中晶体生长溶液配制方法为：配制所需物质的室温近饱和溶液，将所需物质溶解在设定体积的水中，升温并不断搅拌使其全部溶解，在高于饱和温度10℃下进行过热处理24h，然后降温制成室温下的近饱和溶液。
进一步，所述控制溶液晶体生长速率的方法中，所述疏水型微孔膜和不锈钢筛网组成的三层结构和吸附剂配合使用，并结合晶体生长液的温度、籽晶的截面积、疏水型微孔膜的孔径大小、面积大小和吸附剂的用量来控制晶体生长速率。
本发明一种控制溶液晶体生长速率的方法，通过在结晶器顶盖采用由疏水型微孔滤膜和不锈钢筛网组成的三层结构来密封结晶器，溶剂水蒸气可以通疏水型微孔滤膜，但是液态的水不能通过，可解决生长液的外漏问题，同时通过控制溶液温度，籽晶的截面积，微孔滤膜孔径大小、面积大小，吸附剂用量来控制晶体的生长速率，同时也保证了结晶器的密封性要求，通过设定籽晶面积、生长温度、微孔滤膜的蒸发孔径、蒸发面积和吸附剂用量，即可获得结晶质量较好的单晶体。
附图说明
附图为本发明所采用的晶体生长装置示意图。
具体实施方式
本发明一种控制溶液晶体生长速率的方法，利用疏水型微孔滤膜透气、不透水的特点，并采取两面以不锈钢筛网加固的方法，制成三层结构件来密封结晶器，然后将结晶器内的近饱和溶液被加热到一定温度进行恒温蒸发，蒸发出的溶剂被吸附剂吸收，结晶器内的溶液随着蒸发过程的进行达到过饱和，晶体会在籽晶上结晶长大，可解决结晶器内溶液的外漏问题，同时通过控制籽晶截面积，生长温度，微孔膜的孔径，面积，吸附剂的用量来控制晶体生长速率。其中疏水型微孔滤膜可以是疏水型聚四氟乙烯微孔滤膜，但要求不与生长液发生化学反应。
振动实验和溶剂蒸发量实验的结果表明，使用疏水型的微孔膜，孔径在等于或下于10微米时，溶液不会外漏，且溶剂的蒸发量能够满足晶体生长速率的要求。
由于形成水滴、雾滴的最小直径为20微米，因此疏水型的微孔滤膜的孔径控制在10微米以下使用应比较安全，溶液不会外漏。
虽然本发明主要针对空间溶液晶体生长中存在的问题而提出的，但是此晶体生长速率的控制方法在地面上仍然可用。如附图所示，本发明所采用的晶体生长装置包括：晶体生长溶液1，吸附剂2，疏水型聚四氟乙烯微孔滤膜3，不锈钢筛网4，生长的晶体5，结晶器顶盖6，溶剂的气相(水蒸汽)7，环形台阶8。
本发明的用于控制溶液晶体生长速率的新方法，包括以下步骤：
1)溶液配制
配制所需物质的室温近饱和溶液。将该物质溶解一定体积的水中，升温并不断搅拌使其全部溶解，在高于饱和温度10℃下进行过热处理24h，然后降温制成室温下的近饱和溶液。
2)下籽晶
将籽晶固定在结晶器的底面上。在结晶器的底面上事先焊接3个螺栓，将带有内螺纹的不锈钢籽晶托拧在底部的螺栓上，籽晶托上部的圆形平面均匀打4个Φ1毫米的小孔，薄片籽晶也相应地钻4个小孔，用尼龙绳将籽晶固定在籽晶托上。
3)结晶器密封盖的制作
密封结晶器的顶盖由三层复合结构构成，上、下两层分别采用不锈钢筛网保护，中间是一定孔径的疏水型微孔滤膜。不锈钢筛网和疏水型聚四氟乙烯微孔滤膜在边缘以回天906硅胶粘结，24小时后硅胶完全固化，形成三层复合结构。然后使用回天906硅胶将上述的三层复合结构件粘结在有机玻璃盖或者不锈钢盖的环形台阶上(可在顶盖上加工出5mm宽、深3mm的环形台阶)。
4)装吸附剂、生长液
装入吸附剂。根据生长晶体种类的不同，选择不同的吸附剂；根据生长晶体尺寸的不同，使用不同的用量的吸附剂。装入生长液，密封结晶器，溶液的温度由顶盖伸入的铂电阻控制和测量。
5)升温、恒温生长，对生长速度进行控制
将结晶器升至一定温度，通过恒温蒸发法生长晶体。利用疏水型微孔滤膜透气、不透水的特点，如附图所示，在一定温度下，溶剂(水蒸气)能够通过疏水型微孔滤膜输运到结晶器外面，再通过疏水型微孔滤膜被放置在外面的吸附剂吸收，随着溶剂的蒸发，溶液达到过饱和，晶体开始生长，吸附剂不断吸收溶剂，晶体生长过程得以连续进行。通过控制溶液温度，籽晶截面积，聚四氟乙烯微孔薄膜的孔径、面积和吸附剂用量，达到控制晶体生长速率的目的。
实施例1
以生长碘酸锂晶体为例：配制密度为1.5-1.55的碘酸锂近室温饱和溶液，取此碘酸锂溶液680毫升置于结晶器中(事先在结晶器底部固定好碘酸锂籽晶)，使用回天906硅胶将不锈钢筛网-疏水型的聚四氟乙烯微孔膜-不锈钢筛网边缘粘结组成的三层结构，并将此三层结构粘在结晶器顶盖上的环形台阶上(结晶器顶盖事先加工成5毫米的环形台阶)。聚四氟乙烯微孔膜的孔径为0.45微米，蒸发面积9立方厘米。用此三层结构密封结晶器，将温度升到70℃，随着时间的延长，溶剂逐渐通过聚四氟乙烯微孔膜蒸发到结晶器的外面去，再通过聚四氟乙烯微孔膜被放在外面的吸附剂(如：无水CaCl₂ 300g)吸收，当溶液变得过饱和时，晶体开始生长，溶剂的蒸发速度约1毫升/小时，经过20天后，可以获得3块Φ30×40mm²透明的碘酸锂晶体。
实施例2
以生长碘酸锂晶体为例：以生长碘酸锂晶体为例：配制密度为1.5-1.55的碘酸锂近室温饱和溶液，取此碘酸锂溶液680毫升置于结晶器中(事先在结晶器底部固定好碘酸锂籽晶)，使用回天906硅胶将不锈钢筛网-疏水型的聚四氟乙烯微孔膜-不锈钢筛网边缘粘结组成的三层结构，并将此三层结构粘在结晶器顶盖上的环形台阶上(结晶器顶盖事先加工成5毫米的环形台阶)。聚四氟乙烯微孔膜的孔径为1微米，蒸发面积9立方厘米。用此三层结构密封结晶器，将温度升到70℃，随着时间的延长，溶剂逐渐通过聚四氟乙烯微孔膜蒸发到结晶器的外面去，再通过聚四氟乙烯微孔膜被放在外面的吸附剂(如：无水CaCl₂ 300g)吸收，当溶液变得过饱和时，晶体开始生长，溶剂的蒸发速度约1.45毫升/小时，经过10天后，可以获得3块Φ30×30mm²透明的碘酸锂晶体。
实施例3
以生长碘酸锂晶体为例：以生长碘酸锂晶体为例：配制密度为1.5-1.55的碘酸锂近室温饱和溶液，取此碘酸锂溶液680毫升置于结晶器中(事先在结晶器底部固定好碘酸锂籽晶)，使用回天906硅胶将不锈钢筛网-疏水型的聚四氟乙烯微孔膜-不锈钢筛网边缘粘结组成的三层结构，并将此三层结构粘在结晶器顶盖上的环形台阶上(结晶器顶盖事先加工成5毫米的环形台阶)。聚四氟乙烯微孔膜的孔径为0.8微米，蒸发面积9立方厘米。用此三层结构密封结晶器，将温度升到70℃，随着时间的延长，溶剂逐渐通过聚四氟乙烯微孔膜蒸发到结晶器的外面去，再通过聚四氟乙烯微孔膜被放在外面的吸附剂(如：无水CaCl₂ 300g)吸收，当溶液变得过饱和时，晶体开始生长，溶剂的蒸发速度约1.2毫升/小时，经过10天后，可以获得3块Φ30×25mm²透明的碘酸锂晶体。
实施例4
以生长碘酸锂晶体为例：以生长碘酸锂晶体为例：配制密度为1.5-1.55的碘酸锂近室温饱和溶液，取此碘酸锂溶液680毫升置于结晶器中(事先在结晶器底部固定好碘酸锂籽晶)，使用回天906硅胶将不锈钢筛网-疏水型的聚四氟乙烯微孔膜-不锈钢筛网边缘粘结组成的三层结构，并将此三层结构粘在结晶器顶盖上的环形台阶上(结晶器顶盖事先加工成5毫米的环形台阶)。聚四氟乙烯微孔膜的孔径为0.1微米，蒸发面积9立方厘米。用此三层结构密封结晶器，将温度升到70℃，随着时间的延长，溶剂逐渐通过聚四氟乙烯微孔膜蒸发到结晶器的外面去，再通过聚四氟乙烯微孔膜被放在外面的吸附剂(如：无水CaCl₂ 300g)吸收，当溶液变得过饱和时，晶体开始生长，溶剂的蒸发速度约0.8毫升/小时，经过15天后，可以获得3块Φ30×24mm²透明的碘酸锂晶体。