CS200627B1 - Zpftpeb přípravy krystalů a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení pro přípravu krystalů, například kysličníku zinečnatého nebo kysličníku kademnatěho v polykrystallokém agregátu syntézou z plynné fáze. Způsob řeěí kinetiku odděleného přivádění příslušných výchozích složek v plynné fázi a jejich promíšení v prostoru pro reakol složek v plynné fázi, kde dochází k chemickému slučování a vzniku krystalů požadovaného složení, tvořících polykrystalioký agregát. Způsob pro přípravu krystalů podle předmětu vynálezu umožňuje pomocí teploty v prostoru pro převádění výchozích složek do plynného stavu, pomocí teploty v prostoru pro reakci složek v plynné fázi, pomooí rychlosti přivádění kyslíku a par složek v plynné fázi, například par zinku, nebo kadmia, popřípadě ve směsi s dusíkem nebo inertním plynem, řídit chemické složení a fyzikálně krystalografické vlastnosti vzniklých krystalů.

Dále se vynález týká zařízení pro přípravu krystalů podle nárokovaného způsobu, které sestává nejméně z prostoru pro reakci aložek v plynné fázi a alespoň jednoho prostoru pr© převádění výchozích složek do plynného stavu s prostředky pro regulovatelné vyhříváni. Prostor pro reakoi složek v plynné fází je opatřen otvorem pro přivod plynu a otvorem pro odvod plynu, prostor pro převáděnívýohozíoh složek do plynného stavu má otvor pro přívod plynné složky, nádobu na výchozí surovinu. Vzájemné propojení prostoru pra reakci složek v plynné fázi s prostorem pro převádění výchozích složek do plynného stavu je uskutečněno otvorem anebo tryskou anebo jejioh soustavou.

A0 200 627

200 627

Způsob přípravy krystalů reakoí v plynné fázi je v současném stavu teohniky známý.

Je to v prvá řadě tak zvaná transportní reakce, která je využívána u epitaxníoh vrstev polovodičových sloučenin. Jedná se zde převážně o princip termiokáho rozkladu těkaná nestabilní sloučeniny a o vznik požadované krystalické pevné fáze.

Jsou známá zařízení pro nanášení tenkých vrstev v soustavě otevřené trubioe s vynuoeným tokem nosného plynu, inertního nebo reaktivního. Reagujíoí látky jsou v proudu plynu zavedeny do reakčního pásma a pyrolytioky rozloženy na ohřátá podložce.

V jiném případě nosný plyn protéká odděleným pásmem s výchozím materiálem, který vytváří reakční složky. Tyto reakční složky přicházejí do reakční komory, kde se rozkládají. Soustava reakčního prostoru je používána jak pro vertikální, tak 1 horizontální tok plynu. Tento druh transportní reakce, kde nosný plyn nepřetržitě protéká, je tak zvaný typ dynamický. Statický způsob přípravy krystalu spočívá v difúzi přes plynnou fázi.

Dále jsou známé způsoby pro přípravu monokrystalů syntézou z plynné fáze. Prvním, kdo způsob použil byl R. Freríohs v roce 1946 (Naturwissensohaften 33/1946/181). V české literatuře způsob přípravy monokrystalů popisují například články: K. Hurnl: fis. čas. fyz.

A 11/1961/, 357. P. Hosohl, C. Koňak: Czeoh. J. Phys. B 13 /1963/, 364. Nevýhodou je malá výtěžnost a špatná reprodukovatelnost v kvalitě krystalů.

Všeohny dosud známá způsoby přípravy krystalů syntézou z plynné fáze povětšině sledují přípravu co možno největšíoh monokrystalů a jsou jednoúčelově zaměřeny. Způsob pro přípravu krystalů podle předmětu vynálezu se od známých způsobů liší povahou reakce výohozíoh plynných složek, to je syntézou. Zařízení pro přípravu krystalů podle předmětu vynálezu je podobné zařízení využívajíoí způsob otevřené trubioe, pokud ee týče způsobu přivádění složek, rozdíl je v tom, že zařízení podle předmětu vynálezu umožňuje oddělené přivádění reagujících plynnýoh složek a jejioh smísení a ohemioké sloučení v proetoru pro reakci složek v plynná fázi. Způsob přípravy krystalů podle předmětu vynálezu je charakterizován tím, že teplota v prostoru pro reakci složek v plynné fázi se nastavuje v podstatě na dvě třetiny bodu sublimace příslušné sloučeniny, čímž se rovnováha tvorby polykrystalického agregátu posune ve prospěoh růstu krystalů o velikosti řádově nad 1 mikrometr v okolí otvoru anebo trysky anebo jejioh soustavy a na stěnáoh prostoru pro reakci složek v plynné fázi a v neprospěoh nežádoucí tvorby submlkroskopickýoh částeček strhávaných jako aerosol.

Způsob přípravy krystalů podle předmětu vynálezu řeší nedostatky nebo vhodně doplňuje stávajíoí způsoby tím, že do prostoru pro reakol složek v plynné fázi se odděleně přivádějí reagující složky v plynném stavu, případně ve směsi s další plynnou složkou, která se buň reakce nezúčastní nebo zprostředkuje přechodné ohemioké reakce bez podílení se na složení připravených krystalů, přičemž teplota a tudíž i tenze par v proetoru či prostorech, kde se alespoň jedna složka uvádí do plynného stavu, se reguluje, a rychlostí přivádění každá z nich do prostoru pro reakol složek v plynné fázi a Jeho teplotou se v něm dosahuje míohání složek a chemického slučování, při kterém připravená krystaly mají požadované složení

200 627 a vytvářejí polykrystalický agregát.

Cílem způsobu přípravy krystalů podle vynálezu je růst velkého množství drobných, dobře vyvinutých krystalů, vhodnýoh pro přípravu například práSkové sclntllační látky, luminoforu a podobně.

Příkladné provedení zařízení pro přípravu krystalů podle předmětu vynálezu je schematicky znázorněno na obr. 1.

Obr. 2 znázorňuje příčný průřez prostoru pro reakci složek v plynné fázi, kde ústí trysky anebo soustavy trysek leží středově v ose válcovitého prostoru pro reakci složek v plynné fázi a zaujímá maximálně jeho dvě třetiny.

Obr. 3 znázorňuje příčný průřez prostoru pro reakci složek v plynné fázi, kde ústí trysky anebo soustavy trysek leží při jeho obvodu.

Způsob přípravy krystalů podle předmětu vynálezu spočívá v tom, že do prostoru pro reakci složek v plynné fázi se odděleně přivádějí reagující složky v plynném stavu. Složky mohou být popřípadě ve směsi s další plynnou složkou, která se buň reakce nezúčastní, například dusík nebo argon či jiný inertní plyn anebo se složkou, která zprostředkuje přechodné chemické reakce bez podílení se na složení připravených krystalů, například vodíkem.

Teplota a tudíž i tenze par v prostoru či prostorech pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu se reguluje v rozmezí od teploty tání do teploty varu výchozí složky, například zinku nebo kadmia a rychlostí přivádění kyslíku a par zinku nebo kadmia do prostoru pro reakci složek v plynné fázi se v něm zajiŠtuje po smíchání složek zinku nebo kadmia s kyslíkem molový poměr kyslíku k zinku nebo kadmiu větší než jedna. Teplota prostoru pro reakci složek v plynné fázi se nastaví na teplotu větší nebo rovnou dvěma třetinám teploty bodu sublimace čistého kysličníku zinečnatého nebo kademnatého. Touto teplotou se dosahuje v prostoru pro reakci složek v plynné fázi míchání složek a chemického slučování, při kterém připravené krystaly mají požadované složení a vytvářejí polykrystalický agregát.

Způsob přípravy například čistého kysličníku zinečnatého nebo kysličníku kademnatého a podobně spočívá v tom,že do prostoru pro reakoi složek v plynné fázi se odděleně přivádějí kyslík a páry zinku nebo kadmia a podobně, případně ve směsi s dusíkem nebo jiným inertním plynem. Teplota v prostoru pro převádění zinku nebo kadmia a podobně do plynného stavu se reguluje v rozmezí od bodu varu zinku nebo kadmia a podobně. Rychlost přivádění kyslíku a par zinku nebo kadmia a podobně zajiŠtuje po smíchání složek v prostoru pro reakci složek v plynné fázi suprasteohlometrické množství kyslíku, to je po smíchání složek zinku nebo kadmia s kyslíkem molový poměr kyslíku k zinku nebo kadmiu větší než jedna. Teplota v prostoru pro reakci složek v plynné fázi se nastaví v podstatě na dvě třetiny bodu sublimace nebo větší pro čistý kysličník zinečnatý nebo kademnatý a podobně, čímž se rovnováha tvorby polykrystaliokého agregátu posune ve prospěch růstu krystalů řádově nad 1 mikrometr v okolí trysky nebo jejich soustavy a na stěnách prostoru pro reakoi složek

200 627 v plynné fázi a v neprospšoh nežádoucí tvorby submikroekopiokýoh částeček strhávaných jako aerosol·

Prostor pro reakci složek v plynné fázi £ je opatřen prostředky pro regulovatelné vyhřívání £, otvorem pro přívod kyslíku £ a otvorem pro odvod plynů 6. K prostoru pro reakol složek v plynné fázi 1 přiléhá prostor pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu 2. V oblasti vzájemného propojení prostoru pro reakol složek v plynné fázi £ a prostoru pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu 2 je otvor nebo tryska anebo jejioh soustava J. Tryska £ je s výhodou obdélníkového průřezu· Prostor pro převádění výohozí složky do plynného stavu 2 je opatřen otvorem J pro přívod plynné složky, která se bud reakoe nezúčastní, například argonu anebo zprostředkuje ohemioké reakoe bez podílení se na složení přlpravenýoh krystalů· V prostoru pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu £ je vložena nádoba s výohozí surovinou 8, kolem něho jsou umístěny prostředky pro regulovatelné vyhřívání. £.

Zařízení pro přípravu krystalů podle předmětu vynálezu je s výhodou válcovitého tvaru. Ústí trysky anebo soustavy trysek £ leží v jednom uspořádání ve středové ose válcového prostoru pro reakol složek v plynné fázi 1 nebo kolem ní a zaujímají maximálně dvě třetiny příčného průřezu prostoru pro reakol složek v plynné fázi £. V jiném uspořádání leží tryska nebo soustava trysek £ při obvodu váloovitého prostoru pro reakci složek v plynné fázi X a zaujímají rovněž maximálně dvě třetiny příčného průřezu pro reakol složek v plynné fázi χ. Ústí trysky anebo soustavy trysek £ přesahuje do prostoru pro reakol složek v plynné fázi χ.

Prostor pro reakol složek v plynné fázi χ je rovnoměrně protékán kyslíkem, přiváděným otvorem pro přívod kyslíku g. Prostor přo převádění výchozích složek do plynného stavu 2 je protékán proudem argonu, přiváděným otvorem pro přívod plynné složky £. Prostor pro reakol složek v plynné fázi χ je vyhřát na teplotu například 1000 °C. Prostor pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu 2 je vyhřátý například na teplotu 780 °C. Páry, například páry zinku anebo kadmia a podobně jsou strhávány proudem argonu a unášeny ústím otvoru, trysky anebo soustavy trysek £ do prostoru pro reakci složek v plynné fázi 1, kde doohází ke slučování s kyslíkem a k růstu polykrystaliokého agregátu. Rychlost průtoku argonu je zvolena tak, aby v oo nejmenší míře docházelo ke zpětné difúzi kyslíku z prostoru pro reakol složek v plynné fázi χ do prostoru pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu £, Přebytečné plyny odoházejí otvorem pro odvod plynu g.

Způsob i zařízení pro přípravu krystalů podle předmětu vynálezu byl praktieky ověřován v uspořádání obdobném na obr. 1. Y křemenné trubici o průměru 50 mm byla soustředně umístěna další trubice o průměru 30 mm, na jednom konci vytvarovaná do obdélníkového otvoru 25 x 2 mm. Tento koneo zasahoval 10 mm daleko do prostoru pro reakol složek v plynné fázi 1 vytvořeném v první trubici o průměru 50 mm. Prostor pro reakol složek v plynné fázi 1 byl opatřen prostředkem pro regulovatelné vyhřívání £ v konkrétním případě nasunutým odporovým topným vinutím a válcovým kovovým refraktorem o déloe 80 mm. Obdobný prostředek

200 627 pro regulovatelné vyhřívání £ o délce 50 min byl vytvořen v místě, kde byla v druhé trubici umístěna nádoba na výohozí surovinu 8, v našem případě kovový zinek. Mezerou mezi oběma soustřednými trubicemi byl přiváděn přes regulační ventil a průtokoměr kyslík, do vnitřní trubioe byl přiváděn dusík nebo argon. Po průohodu prostorem pro reakoi složek v plynné fázi 1 byl nosný plyn, to je dusík nebo argon, spolu s nadbytečným kyslíkem vypouštěn otvorem pro odvod plynu 6, v našem případě výstupním ventilem, který zajišťoval v aparatuře přetlak asi 200 mm vodního sloupce. Při pokusu, který uvádím Jako příklad, byl přes vsázku 5 g kovového zinku o čistotě 99,999 % v prostoru pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu 2 vyhřátém na teplotu asi 900 °C veden proud argonu rychlostí 1 litr za minutu, který strhával páry zinku do prostoru pro reakoi složek v plynné fázi kde byla udržována teplota 1000 °C. Kyslík byl přiváděn rychlostí 60 ml za minutu. Po 15 minutách oelá vsázka kovového zinku zreagovala a v prostoru pro reakoi složek v plynné fázi 2 “· vytvořily shluky jehličkovitýoh krystalů kysličníku zinečnatého o rozměrech 10 x 30 až 30 x 100fi, m, menší množství tenkých foliových destiček a whiskarů o rozměrech až 2,5 z 500/ítm. Výtěžek reakoe byl asi 4,5 g kysličníku zinečnatého. Určitá část velmi drobných krystalků kysličníku zinečnatého se usadila mimo prostor pro reakoi složek v plynné fázi 1, nebo byla stržena proudem plynu. Získané krystaly bylo možno snadno oddělit a vytřídit na sítě a byly vhodné pro přípravu polykrystaliokýoh vrstev, například nanášením sedimentací ze suspenze. Jejloh luminiscenční vlastnosti ukázaly zanedbatelný obsah nežádouoíoh oizíoh příměsí a nadsteohlometriokáho zinku.

Claims (6)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Způsob přípravy krystalů, například kysličníku zinečnatého nebo kysličníku kademnatého v polykrystaliokém agregátu, vyznačujíoí se tím, že do prostoru pro reakci složek v plynná fázi se odděleně přivádějí kyslík a páry zinku nebo kadmia, popřípadě ve směsi s dusíkem nebo inertním plynem, přičemž teplota v prostoru pro převádění zinku nebo kadmia do plynného stavu se reguluje v rozmezí od teploty tání do teploty varu zinku nebo kadmia a rychlostí přivádění kyslíku a par zinku nebo kadmia do prostoru pro reakoi složek v plynná fázi se v něm zajišťuje po smíchání složek zinku nebo kadmia s kyslíkem molovy poměr kyslíku k zinku nebo kadmiu větší než jedna a teplota prostoru pro reakoi složek v plynné fázi se nastaví na teplotu vštší nebo rovnou dvěma třetinám teploty bodu sublimaoe čistého kysličníku zinečnatého nebo kademnatého.
2. 2. Zařízení pro přípravu krystalů podle způsobu v bodu 1, vyznačujíoí se tím, že sestává nejméně z prostoru pro reakoi složek v plynné fázi (1) a alespoň jednoho prostoru pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu (2) s prostředky pro regulovatelné vyhřívání (4» 9)» prostor pro reakci složek v plynné fázi (1) je opatřen otvorem pro přívod plynu (5) a otvorem pro odvod plynu (6) prostor pro převáděni výohozíoh složek do plynného stavu (2)

   200 627 má otvor pro přívod plynné složky (7), nádobu na výchozí surovinu (8), přičemž vzájemná propojení prostoru pro reakci složek v plynná fázi (1) s prostorem pro převádění výchozích složek do plynného stavu (2) je uskutečněno otvorem anebo tryskou anebo jejioh soustavou (3).
3. 3· Zařízení pro přípravu krystalů podle bodu 2, vyznačujíoí se tím, že prostor pro reakoi složek v plynné fázi (1) a prostor pro převádění výohozíoh složek do plynného stavu (2) jsou váloovitáho tvaru.
4. 4. Zařízení pro přípravu krystalů podle bodů 2 a 3, vyznačujíoí se tím, že ústí trysky anebo soustavy trysek (3) leží ve středové ose prostoru pro reakoi složek v plynné fázi (1) nebo kolem ní a zaujímají maximálně dvě třetiny příčného průřezu prostoru pro reakoi složek v plynné fázi (1).
5. 5. Zařízení pro přípravu krystalů podle bodů 2 a 3, vyznačujíoí se tím, že ústí trysky anebo soustavy trysek (3) leží při obvodu prostoru pro reakoi složek v plynná fázi (1) a zaujímají maximálně dvě třetiny příčného průřezu prostoru pro reakoi složek v plynné fázi (1).
6. 6. Zařízení pro přípravu krystalů podle bodů 2 až 5, vyznačujíoí se tlm, že ústí trysky anebo soustavy trysek (3) přesahuje do prostoru pro reakoi složek v plynné fázi (1).