CS226592B1 - Způsob čiření taveniny pro pěstování monokrystalů oxidů kovů tažením z taveniny - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu čiření taveniny pro pěstování monokrystalů oxidů kovů tažením z taveniny, umožňující zkrátit dobu protavování výchozí suroviny před započetím tažení.

Monokrystaly oxidů kovů se v současné době užívají v celé řadě odvětví. Nejvýznamnější jsou ta použití, kde se zároveň požaduje vysoká optická propustnost a homogenita monokrystalů, jak je tomu například v aktivních materiálech pro lasery. Pokud monokrystal obsahuje inkluze cizí fáze, nesnižuje se jenom jeho optická propustnost, ale zvyšuje se zároveň nebezpečí poškozeni monokrystalu laserovým zářením, které se na cizí fázi může absorbovat a proměnit se na tepelnou energii. Přitom inkluze cizí fáze, zejména kelímkového kovu jsou * nejběžnější závadou monokrystalů oxidů kovů pěstovaných tažením z taveniny metodou Czochralskiho. Kelímkový kov je korodován nečistotatmi a to zejména sloučeninami síry nebo uhlíku, které se mohou vyskytovat ve výchozí surovině, případně i v ochranné atmosféře. Rovněž tak i sloučeniny kyslíku, pokud nejsou kompenzovány dostatečným množstvím vodíku, způsobují korozi molybdenových nebo wolframových kelímků. Zplodiny koroze, které se rozpouštějí v tavenině, se v ní opět rozkládají za vzniku jemně rozptýleného kovu, který víří v tavenině a z ní se, zejména za podmínek rychlého konvexního toku taveniny může zabudovávat do rostou- čího monokrystalu. Je zřejmé, že tato závada se vyskytuje v největší míře ihned po roztavení nové výchozí suroviny, nebo při dodání většího množství výchozí suroviny do již použitého kelímku.

Samovolné shlukování částic kovu do větších shluků a jejioh usazování na dně kelímku je relativně pomalé, což výrazně prodlužuje dobu potřebnou k přípravě jakostního monokrystalu.

Jcó 552

Dobu potřebnou k dosažení potřebné čistoty taveniny lze podstatné zkrátit způsobem čiření taveniny pro pěstování monokrystalů oxidů kovů tažením z taveniny podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do taveniny se v kruhu o poloměru odpovídajícím nejvýše jedné polovině průměru použitého kelímku se středem v bodu, do kterého směřuje hladinové proudění zavede do hloubky, odpovídající 2 až 25 % výšky kelímku měřeno od hladiny taveniny, kovový vodič o záporném potenciálu proti potenciálu kelímku a před započetím tažení ae tento vodič z taveniny vyjme. Velikost rozdílu potenciálu vodiče a kelímku závisí ne vodivosti taveniny, hloubce ponoření vodiče a dalěích faktorech, takže není vhodné jej blíže definovat. Rovněž doba ponoření vodiče do taveniny je silně proměnlivá v závislosti na výchozím znečištění taveniny, požadovaném stupni jejího vyčiření, teplotě taveniny a dalěích faktorech, které je třeba experimentálně v každém případě zvlášl ověřit.

Vždy dojde k rychlému shlůkování částic kovu v blízkosti vodiče, přičemž část tohoto kovu přilne k vodiči, část se usadí na dně kelímku. V případě, že se při pěstování použije snadno ionizovatelné atmosféry, například argonu, vzniká na vodiči, chladnějším než kelímek a tavenina samovolně záporný potenciál, což lze v případě, že vodič je od kelímku oddělen elektricky isolující vrstvou, rovněž využít k provedení způsobu podle vynálezu. Pokud je vodič dostatečně silný, pevný a pohyblivý, lze ho použít l k prostému promíchání vícesložkových tavenin při jejich přípravě z jednotlivých složek z nichž některá vykazuje výrazně zvýšení bodu tání proti bodu tání směsi.

Způsobem podle vynálezu lze tak podstatně zkrátit dobu nutnou k dosažení čistoty taveniny potřebné pro přípravu jakostních monokrystalů oxidů kovů, případně využít výchozích surovin, které obsahují například stopy síry, uhlíku nebo dalších nečistot.

Přikladl

Byly pěstovány monokrystaly korundu tažením z taveniny v iridiovém kelímku o vnitřním průměru 60 mm a vnitřní výšce 65 mm v peci s vysokofrekvenčním ohřevem a dusíkovou ochrannou atmosférou. Pokud byly monokrystaly pěstovány ihned po roztavení výchozí suroviny, byly tyto monokrystaly v horní části lehce zakaleny, což zmenšovalo jejich využitelnost v délce cca 45 mm. Pokud byla výchozí surovina před započetím pěstování udržována v roztaveném stavu po dobu 9 hodin, byl vypěstovaný monokrystal zcela čirý, protože tavenina byla na počátku pěstování dostatečně vyčiřena. Uvedenou dlouhou dobu protavování bylo možno zkrátit na 15 minut postupem podle vynálezu tím, že po roztavení byl do taveniny do hloubky 5 mm pod její hladinou v místě do kterého směřovalo proudění na hladině taveniny zaveden iridiový drát o průměru 1,2 mm, na který byl přes odpor 10 Ω připojen záporný pól akumulátoru o napětí 6 V, zatím co kladný pól byl připojen k vodou chlazenému plášti pece, který je vodivě spojen s kelímkem. Před zahájením tažení byl drát z taveniny vyjmut a vypěstované monokrystaly byly čiré v celé své délce, což odpovídá dobře vyčiřené tavenině.

Příklad 2

Byly pěstovány monokrystaly yttritohlinitého granátu o průměru 28 mm a délce 100 mm tažením z taveniny rychlosti 2 mm/hod. Ochranná atmosféra se skládala ze směsi 98 obj. % argonu a 2 obj. % vodíku. Výchozí suroviny byly taveny v molybdenovém kelímku o vnitřním průměru 80 mm a vnitřní výšce 80 mm. Ohřev byl odporový. Jako výchozích surovin bylo použito kysličníku hlinitého a yttritého, ktei’é s ohledem na spůsob příprevy obsahovely stopy sloučenin síry, které spolu s dusíkem a kyslíkem adsorbovaných na použitých kysličnících způsobovaly nepatrnou korozi na molybdenovém kelímku. Tavenina pak obsahovala jemné částečky kelímkového kovu, které se jen pomalu shlukovaly v bodu ne hladině taveniny, ležícím v ose kelímku, kam směřuje tepelné proudění taveniny. V praxi bylo možno získat monokrystal o použitelné délce 50 až 60 mm až po druhém nebo třetím pěstování nebo po neúnosně dlouhém tavení výchozích surovin. Proto byl podle vynálezu do pláště pece přes pružnou izolační spojku zaveden molybdenový drát o průměru 2 mm, kterým byla tavenina, připravovaná z výchozích kysličníků promíchávána, čímž se také daleko rychleji roztavil kysličník yttritý a poté byl drát umístěn tak, že v ose kelímku zasahoval do taveniny 10 mm hluboko pod její hladinu v místech, kam směřovalo hladinové proudění. Vlivem teplem ionizované atmosféry a teplotního gradientu v ní, se na tyči ustálil potenciál - 0,015 V proti kelímku. Za uvedených podmínek se tavenina vyčiřila za 15 až 20 min a po vyjmutí drátu bylo započato s tažením, při kterém byly vypěstovány monokrystaly o použitelné délce 75 ež 80 mm.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Způsob čiření taveniny pro pěstování monokrystalů oxidů kovů tažením z taveniny, vyznačený tím, že se do taveniny v kruhu o poloměru odpovídajícím nejvýše jedné polovině použitého kelímku se středem v bodu, do něhož směřuje hladinové proudění, zavede do hloubky, odpovídající 2 až 25 % výšky kelímku, měřeno od hladiny taveniny, kovový vodič o záporném potenciálu proti potenciálu kelímku a před započetím tažení se tento vodič z taveniny vyjme.