CS244796B1 - Způsob úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů - Google Patents

Abstract

Způsob úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů dvou nebo vícesložkových oxidických materiálů jako je yttritohlinitý granát nebo perovskit a to s dotacemi dalších příměsných prvků nebo bez nich, snižující korozi pěstovacího kelímku, energetickou náročnost pro protavování taveniny, zlepšení pěstovacích podmínek i jakosti pěstovaných monokrystalů, čehož se dosahuje tím, že se nejprve připraví homogenní směs příslušných práškovitých komponent v reaktivní formě s měrnými povrchy jednotlivých komponent v rozmezí 5 až 100 m"/g a poté se podrobí sintraci v prášku za teploty 1000 až 1500 °c na vzduchu po dobu, kdy zreaguje 10 až 50 % komponent mezi sebou na sloučeninu, jejíž monokrystal bude pěstován, s následujícím slisováním do výlisků tlakem 40 až 200 MPa, nebo stejnému postupu v obráceném pořadí operací , a poté se podrobí druhé sintraci při teplotě o 5 až 20 % nižší než je teplota tání dané sloučeniny s to v atmosféře, odpovídající atmosféře, jaká bude při pěstování monokrystalu v pěstovací peci, po dobu, kdy zreagují zbylé komponentv z 80 až 100 %.

Description

Vynález se týká způsobu úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů dvou nebo vícesložkových? ^materiálů jako jsou například yttritohlinitý granát nebo perovskit.

Při pěstování monokrystalů oxidických materiálů z dvou nebo vícesložkových tavenin jako je například yttritohlinitý granát nebo peřovskit, roztavených v kelímku z kovových materiálů například wolframu, molybdenu, iridia nebo pl_atiny, se při přípravě taveniny běžně postupuje tak, že se práškovité jednotlivé komponenty vylisují na teblety nebo jiné výlisky, každá zvlášť, dále zhutní sintrací a po navážení v požadovaném poměru se výlisky smíchají přímo v kelímku, kde po zahřátí na potřebnou teplotu dojde k postupnému roztavení a vzájemnému rozpouštění, přičemž komponenty s nejvyššími teplotami tání se rozpouštějí v tavenině nejdéle. Je pravidlem, že jednotlivé komponenty mají teploty tání podstatně vyšší než jejich směsi. Například axid yttritý ^Υ2θ3 má teplotu tání 2400 °C, oxid hlinitý Al^O^ má teplotu tání 2050 °C, ale sloučenina aluminátu yttria YAIO^ připravená ze směsi v molárníra poměru 1 : 1 má teplotu tání jen 1875 °C. Pokud je v kelímku zbytek taveniny po předchozím pěstování, dochází k postupnému rozpouštění jednotlivých komponent v tavenině. Aby doba rozpouštění byla přijatelná, je nutno zvýšit teplotu taveniny obvykle o 100 až 150 °C nad její teplotu tání, čímž se zvyšu244 798

suje korose kelímku se všemi dále popsanými důsledky, nehledě na zvýšenou energetickou náročnost. Některá komponenty, zejména oxidy různých dotujících příměsí, jako je například oxid chromitý, čeřitý, neodymitý, ale i oxid yttritý v důsledku vyššího přehřátí, mají zvýšenou tendenci se rozkládat za uvolňování kyslíku, který napadá kelímek a způsobuje jeho zvýšenou korosi a přenos koloidnách částic kovu do taveniny, čímž se současně zhoršují její vlastnosti, zejména se zvýší absorpce záření stěn kelímku, které je základem přenosu tepla do- taveniny. Takto se zvyšuje gradient teploty v tavenině a dochází k jejímu nadměrnému přehřívání ve vrstvě u stěn kelímku a tím k jejímu rozkladu a také zvýšenému proudění v důsledku větších gradientů teploty. Proudění má za následek fluktuace teploty v tavenině a tím zase zhoršování optické jakosti monokrystalu.

Uvedené nedostatky lze odstranit způsobem úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů dvou nebo víceslož kových oxidických materiálů, jako je yttritohlinitý granát nebo perovskit a to s datacemi dalších příměsných prvků nebo bez nich, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se nejprve připraví homogenní směs příslušných práškovitýoh komponent v reaktivní formě 3 měrnými povrchy jednotlivých komponent v rozsáhu 5 až 100 m /g a poté se podrobí sintraci v prášku za teploty 1000 až 1500 °C na vzduchu po dobu, kdy zreaguje 10 až 50 % komponent mezi sebou na sloučeninu jejíž monokrystal bude pěstován s následným slisováním do výlisků tlakem 40 až 200 MPa, nebo stejnému postupu v obráceném pořadí operací a poté se podrobí druhé sintraci při teplotě o 5 až 20 % nižší než je teplota tání dané sloučeniny a to v atmosféře odpovídající atmosféře, jaká bude při pěstování monokrystalu v pěstovací peci po dobu, kdy zreagují zbylé komponenty z 80 až 100

- 3 244 79β

Postup operací ge určí podle povahy jednotlivých směsí, zejména z hlediska dobré lisovatelnosti, aby výlisky byly co nejkompaktnější. V této fázi dojde reakcemi v pevném stavu k částečnému vzniku požadované sloučeniny a zre_aguje obvykle 10 až 50 % komponent, což lze stanovit rentgenograficky. Potom se provede další sintrace a to v atmosféře odpovídající té, která bude při pěstování monokrystalu, aby se surovina upravila do potřebného redukovaného nebo oxidovaného stavu. Atmosféra, v níž se provede druhá sintrace, nemusí být zcela totožná té, v níž se bude monokrystal pěstovat, musí vÁa.k odpovídat možnému rozsahu v jejím složení, vhod ném pro pěstování. Tuto druhou sintraci je možno v řadě případů provádět přímo v pěstovacím kelímku před vlastním pěstováním. Při druhé sintraci dojde k zreagování 80 až 100 % komponent v pevném stavu a tím, žekomponenty zreagují v pevném stavu, vytvoří se požadovaná sloučenina o nižší teplotě tání, čímž se omezí jak teplota tak doba nutná k protavení při použití oddělených komponent a přirozeně se oraězí korose kelímku se všemi dalšími nepříznivými důsledky pro jakost a čistotu jak taveniny tak monokrystalu.

Příklad 1

Při přípravě monokrystalu yttritohlinitého granátu dotovaného ionty‘neodymu a ceru Hd,Ce:Yyll^O₁₂ pro lasery bylo postupováno podle vynálezu a to tak, že výchozí práškovité suroviny, oxid neodyraitý, čeřitý, yttritý a hlinitý, vyžíhané na 700 až 900 °C měly měro né povrchy a to oxidy vzácných zemin 10 až 15 m/g, oxid hlinitý 70 m /g, byly naváženy do směsi složené z 54,03 hmot.% oxidu yttritého, 42,44 hraot.$ oxidu hlinitého, 3,42 hraot.% oxidu neodyraitého a 0,30 hmot& oxidu čeřitého. Směs byla dokonale zhomogenizována a vylisována do výlisků o průměru 35 mm a výšce 150 mm v isostatickém lisu tlakem 100 MPa. Výlisky byly podrobeny sintraci v superkantalové peci při teplotě

- 4 244 7M

1450 °C po dobu 12 hodin. Rentgenovou fázovou analýzou bylo zjištono, že směs zreagovala ze 40 % na granátovou fázi. Poté byla podrobena druhá sintraci při teplotě 1750 °C po dobu 1 hodiny v atmosféře složené z 70 obj .% argonu a 30 obj.% vodíku. Po ukončení sintrace bylo rentgenovou av.alýzou zjištěno, že surovina obsahuje již 80 % granátové fáze. Takto upravená suroví» na bylo po naplnění do molydbenového kelímku protavena během 2 hodin při teplotě 1980 °C v atmosféře, složené z 80 obj.% argonu a 20 obj.% vodíku.bez patrné korose pěetovacího kelímku. Z takto připravené taveniny byl vypěstován monokrystal s dokonalými optickými vlastnostmi a dobrou laserovou funkcí. Protavování suroviny při dosud běžném použití jednotlivých oddělených komponent trvalo nejméně 8 až 10 hodin při teplotě 2050 až 2080 °C.

Příklad 2

Při přípravě monokrystalu yttritohlinitého perovskitu aktivovaného ionty neodymu a chrómu Nd,Cr:YA10^ pro lasery, byly použity obdobné suroviny jako v příkla du 1, toliko místo oxidu čeřitého byl použit oxid chroo mitý, s měrným povrchem 55 mVg. Byla připravena práskovitá směs o složení 67,77 hmot.% oxidu yttritého, 30,95 hmot.% oxidu hlinitého, 1,18 hmot,% oxidu neodymitého a 0,10 hmot.% oxidu chromitého, která po zhomogenizování byla podrobena sintraci při 1350 °C po dobu 20 hodin? kdy zreagovalo 30 % na perovskitovou fázi.

Na to byla surovina slisována v isostatickém lisu tlakem 120 MPa na roubíky o průměru 45 mm a výšce 150 mm. Roubíky byly umístěny do molybdenového kelímku do pece pro pěstování monokrystalů a tam v atmosféře, složené z 33 obj.% vodíku a 67 obj.% argonu podrobeny druhé sintraci při teplotě 1800 °C pod dobu 1 hodiny, kdy v surovině bylo již 95 % perovskitové fáze. Dalším zvýšením teploty na 1910 °C byla běhen 2 hodin dokonale tavenina protavena a z ní vypěstován opticlqr jakostní monokrystal. Korose kelímku nebyla nikterak patrná.

Při běžném použití oddělených komponent trvalo protavení 12 hodin při teplotě 1980 až 2000 o_c.

Claims (1)

1. Způsob úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů dvou nebo vícesložkových oxidických materiálů, jako je yttritohlinitý granát nebo perovskit, vyznačený tím, že se nejprve připraví homogenní směs příslušných práškovitých komponent v reaktivní formě s měrnými povrchy jedo notlivých komponent v rozmezí 5 až 100 m /g a poté se podrobí sintraci v prášku za teploty 1000 až 1500 °C na vzduchu po dobu, kdy zreaguje 10 až 50 % komponent mezi sebou na sloučeninu, jejíž monokrystal bude pěstován a následným slisováním do výlisků tlakem 40 až 200 MPa, nebo stejnému postupu v obráceném pořadí oprací a poté se podrobí druhé sintraci při teplotě nižší o 5 až 20 % než je teplota tání dané sloučeniny a to v atmosféře odpovídající atmosféře, jaká bude při pěstování monokrystalu v pěstovací peci, po dobu, kdy zreagují zbylé komponenty z 80 až 100