DE102020120715A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall enthält wenigstens 5 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, so dass seine Liquidustemperatur unter 2400 °C beträgt. Alternativ kann der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall auch Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid enthalten und die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid können in einem Ausgangsmaterial so ausgewählt sein, dass der zu züchtende Selternerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur von unter 2400 °C hat. Das Ausgangsmaterial kann in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C hat, bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger geschmolzen werden. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial unter Verwenden eines Kristallzüchtungsverfahrens, beispielsweise des Czochralski-Verfahrens oder des HEM-Verfahrens gezüchtet werden. Auch ein tiegelfreies Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls ist bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger möglich, beispielsweise mittels optischem Zonenschmelzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Ferner betrifft die Erfindung ein Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur.
  • Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle haben ein Verhältnis von einem Metall der Seltenen Erden (kurz: Seltene Erden) zu Sauerstoff von 1 zu 1,5. Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle sind beispielweise Scandiumoxid (SC2O3), Lutetiumoxid (Lu2O3), Yttriumoxid (Y2O3) und Neodymoxid (Nd2O3).
  • In DE 197 02465 A1 ist beschrieben, dass sich ein Tiegel aus Rhenium zum Züchten unter anderem von Einkristallen aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid aber auch aus Scandiumyttriumoxid und Lutetiumyttriumoxid aus der Schmelze nach dem Czochralski-Verfahren eignet.
  • Bei dem Czochralski-Verfahren wird ein Einkristall aus einer Schmelze gezüchtet, indem zunächst ein Ausgangsmaterial in einem beheizten Tiegel geschmolzen wird. Anschließend wird ein an einem Halter befestigter Impfkristall mit der Schmelze in Berührung gebracht. Ohne den Kontakt zur Schmelze zu verlieren, wird der Impfkristall unter Drehen langsam in diejenige Richtung gezogen, die senkrecht von der Oberfläche der Schmelze weg zeigt. Durch eine geringe Unterkühlung an der fest-flüssig Phasengrenze erstarrt die Schmelze an dem Impfkristall und durch eine geeignete Prozesssteuerung wächst der Einkristall kontrolliert weiter.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur bereitzustellen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur bereitzustellen.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze vorgeschlagen, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt:
    • - Schmelzen eines Ausgangsmaterials, das wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet eine Schmelztemperatur diejenige Temperatur, bei der ein Stoff oder Stoffgemisch zu schmelzen beginnt, das heißt, bei der dieser beginnt von seinem festen in seinen flüssigen Aggregatzustand überzugehen.
  • Die Schmelztemperatur eines Reinstoffes bei einem definierten Druck wird als Schmelzpunkt bezeichnet. In der Regel wird der Schmelzpunkt bei Normaldruck angegeben.
  • Bei einem Stoffgemisch wird die Schmelztemperatur auch als Solidustemperatur bezeichnet. Die Solidustemperatur ist diejenige Temperatur, bei der das Stoffgemisch zu schmelzen beginnt. Zusätzlich wird für ein Stoffgemisch die Liquidustemperatur angegeben. Die Liquidustemperatur gibt an, bei welcher Temperatur das Stoffgemisch vollständig schmilzt.
  • Der Soliduspunkt bzw. Liquiduspunkt eines Stoffgemisches bezeichnet die Solidustemperatur bzw. die Liquidustemperatur eines Stoffgemisches bei einem definierten Druck.
  • Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid aufgrund ihrer Schmelzpunkte von jeweils über 2400 °C nicht nach gängigen Kristallzüchtungsverfahren, insbesondere nicht nach dem Czochralski-Verfahren, aus Iridium-Tiegeln, gezüchtet werden können. Der Schmelzpunkt von Iridium liegt bei 2466 °C. Wenn die Schmelze eine Temperatur von über 2200 °C hat, kommt es durch ein zunehmendes Kornwachstum im Iridium-Tiegel und damit einhergehenden Spannungen zur Rissbildung im Tiegel und damit zur Leckage des Tiegels.
  • In dem Czochralski-Verfahren ist regelmäßig die gezielte Wärmeabfuhr durch den wachsenden Kristall zur Beibehaltung notwendiger Temperaturgradienten wichtig, damit der zu züchtende Kristall eine niedrigere Temperatur als die Schmelze hat und das Material an dem Impfkristall kristallisiert. Insbesondere wird ein Temperaturgradient von der Schmelze durch den Kristall zur Ziehstange hin benötigt. Gezielte Temperaturgradienten vermeiden zudem die Ausbildung von Spannungen durch zu starke Temperaturunterschiede im wachsenden Kristall.
  • Aufgrund der vergleichsweise hohen Schmelzpunkte der Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle Scandiumoxid oder Yttriumoxid treten beim Wachstum dieser Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle jedoch zwei Effekte auf, die eine gezielte Wärmeabfuhr erschweren. Zum einen verschiebt sich der Schwerpunkt der thermischen Strahlung mit steigender Temperatur in den kurzwelligeren, hochenergetischeren Bereich. Zum anderen verringert sich mit steigender Temperatur der Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle deren Bandlücke. Diese Effekte können dazu beitragen, dass es in Seltenerd-Sesquioxid-Kristallen bei Temperaturen im Bereich von über 2400 °C zu einer signifikanten Herabsetzung der Transparenz für die Wärmestrahlung kommt. Eine Herabsetzung der Transparenz für die Wärmestrahlung führt regelmäßig dazu, dass sich die Wärme unter dem wachsenden Kristall staut, so dass die Temperatur am Übergang zwischen flüssiger und fester Phase über den Schmelzpunkt des Materials steigt, was zu einem „Abreissen“ des Kristalls von der Schmelze und zu einem Stoppen des Kristallwachstums führen kann. Diese Effekte stellen - unabhängig vom Tiegelmaterial - regelmäßig ein Problem für die Züchtung von Sesquioxiden mit hohen Liquidustemperaturen nach der Czochralski-Methode dar.
  • Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid wurden deshalb bislang in der Regel nach dem HEM (heat exchanger method)-Verfahren unter Verwendung von Rhenium-Tiegeln und nicht nach dem Czochralski-Verfahren unter Verwendung von anderen Tiegeln mit geringeren Schmelztemperaturen, beispielsweise Iridium-Tiegeln, hergestellt. Da die Verarbeitung von Rhenium zu Tiegeln aufgrund seiner Härte und seines sehr hohen Schmelzpunktes aufwendig und damit teuer ist, wurden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid bislang lediglich in geringem Umfang kommerziell genutzt, obwohl sie sich gut für die Herstellung von Lasermaterialien, insbesondere für seltenerd-dotierte Festkörperlaser, eignen.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere binäre oder auch ternäre Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle gezüchtet werden, die wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthalten. Beispielweise kann ein nach dem Verfahren gezüchteter Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nur Scandiumoxid und Yttriumoxid enthalten, so dass sich die Anteile von Scandiumoxid und Yttriumoxid zu 100 % addieren, wobei dies umfasst, dass der binäre Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Dotieratomen dotiert sein kann. Dementsprechend schließt ein summierter Anteil von 100 % nicht das Enthalten von Dotieratomen, insbesondere mit einem Anteil von einigen Prozent, beispielsweise bis zu 15 %, aus. Ein Stoff gilt insbesondere dann als Dotierung, wenn die Dotier-Atome im Wesentlichen für die laserrelevanten optischen Eigenschaften des Materials verantwortlich sind.
  • Das Verfahren hat den Vorteil, dass zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kein Rhenium-Tiegel verwendet wird, sondern ein Tiegel aus einem Material, welches eine Schmelztemperatur hat, die geringer ist als die Schmelztemperatur von Rhenium. In dem Verfahren können insbesondere Tiegel verwendet werden, die im Vergleich zu Rhenium-Tiegeln günstigere Eigenschaften haben, beispielsweise solche aus Iridium.
  • Da in dem Verfahren kein Tiegel ausschließlich aus Rhenium verwendet wird, können die Herstellungskosten für die Züchtung eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls deutlich gesenkt werden. Dies ermöglicht es solche Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle für eine kommerzielle Nutzung interessanter zu machen. Da der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall wenigstens 15 % Scandiumoxid enthält, kann die hexagonale Phase von Yttriumoxid umgangen werden, sodass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine kubische Kristallstruktur hat. Dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine kubische Kristallstruktur hat, ist für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen von Vorteil. Solche Anwendungen umfassen die Verwendung des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur als Wirtsmaterial für einen Laserkristall, aber auch die Verwendung als Substrat für funktionale kristalline Schichten, die gitterangepasst oder gezielt verspannt auf einem einkristallinen Substrat aufgebracht werden sollen.
  • Die Erfindung beruht auch auf der Erkenntnis, dass ein Ausgangsmaterial aus einem Stoffgemisch, das wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, eine Liquidustemperatur haben kann, die unter derjenigen der Einzelkomponenten Scandiumoxid und Yttriumoxid liegt. Dies ermöglicht es einen Tiegel aus einem Material mit einer deutlich niedrigeren Schmelztemperatur als der Schmelztemperatur von Rhenium zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls zu verwenden.
  • Die Liquidustemperatur des Ausgangsmaterials, das wenigstens Scandiumoxid und Yttriumoxid aufweist, kann deshalb unter den Schmelzpunkt der Einzelkomponenten Scandiumoxid und Yttriumoxid gesenkt werden, weil sich dieses Stoffgemisch azeotrop verhält. Bei dem Ausgangsmaterial, zum Beispiel aus wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, sowie optional weiteren Sesquioxiden, wie insbesondere Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid, handelt es sich um eine azeotrope Mischreihe. Insbesondere an und um einen azeotropen Punkt in einer azeotropen Mischreihe der Sesquioxide kann die Schmelztemperatur des Stoffgemisches unter diejenige der Einzelkomponenten gesenkt werden. Da es möglich ist, die Liquidustemperatur des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, unter 2400 °C und insbesondere unter 2200 °C zu senken, kann in dem Verfahren ein Tiegel aus Iridium verwendet werden. Falls der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur von über 2200 °C hat, besteht aufgrund von Rissbildung infolge von Kornwachstum die Gefahr der Zerstörung des Iridium Tiegels. Zudem besteht bei höheren Temperaturen infolge von zu starken Temperaturgradienten das Risiko einer lokalen Überhitzung des Tiegels und damit des Schmelzens des Tiegels. Falls die Liquidustemperatur des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls über 2200 °C liegt, sollte in dem Verfahren deshalb ein Tiegel aus einem anderen Material als ausschließlich Iridium verwendet werden. Ein solches Material hat vorzugsweise eine Schmelztemperatur zwischen der von Iridium und Rhenium. Denkbar ist beispielweise ein Tiegel aus einer Legierung, beispielweise einer Legierung aus Iridium und Rhenium.
  • Vorzugsweise weist das Verfahren den Schritt auf:
    • - Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial.
  • Der Kristall wird in dem Verfahren durch Züchtung aus der Schmelze hergestellt. Beispielsweise kann der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren an einem Impfkristall gezüchtet werden.
  • Bevorzugt wird der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall unter Verwenden des Czochralski-Verfahrens oder des HEM-Verfahrens gezüchtet. Nach dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren hergestellte Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle können mit hoher Kristallqualität hergestellt werden, sodass sie sich für Laserkristalle eignen.
  • Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren eine Modifikation eines bereits bekannten Kristallzüchtungszüchtungsverfahrens darstellen, beispielweise dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren. Nach dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren kann ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, gezüchtet werden, wobei in dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren ein Tiegel verwendet wird, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch Bestandteil eines modifizierten Skull-Melting-Verfahrens sein, bei dem das Ausgangsmaterial im Eigentiegel geschmolzen wird. Dabei liegt das Ausgangsmaterial in Pulverform vor. In dem Skull-Melting-Verfahren wird gezielt nur der zentrale Bereich des Pulvers geschmolzen und das umliegende Material dient als Tiegel.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch als Bestandteil eines modifizierten „Bagdasarov“-Verfahrens durchgeführt werden, bei dem das Pulver in einem schiffchenförmigen Tiegel durch die heiße Zone geschoben wird. Das „Bagdasarov“-Verfahren ist beispielsweise in US 4,303,465 beschrieben.
  • Weitere bekannte Kristallzüchtungsverfahren, die zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls unter Verwenden des entsprechenden Ausgangsmaterials und Tiegels verwendet werden können, sind beispielsweise das HEM-Verfahren und das Bridgman-Verfahren. Das HEM-Verfahren ist beispielsweise in US 3,898,051 beschrieben.
  • Das Ausgangsmaterial weist insbesondere die Stoffe des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls und vorzugsweise mit denselben Anteilen auf, wie sie in dem gezüchteten Seltenerd-Sesquioxid-Kristall vorhanden sind. Das heißt, wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 60 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid enthält, weist auch das Ausgangsmaterial 60 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid auf. Vorzugsweise weist das Ausgangsmaterial wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, auf.
  • Das Ausgangsmaterial liegt vorzugsweise in Pulverform vor. Das Ausgangsmaterial in Pulverform besteht bevorzugt aus Pulvern der Form RE2O3, wobei RE für das Seltene Erden Element (engl. rare earth) steht und beispielsweise RE = Lutetium (Lu), Scandium (Sc), Yttrium (Y), Erbium (Er) oder Ytterbium (Yb) sein kann. Diese Pulver stehen in der Regel in elementreiner Form zur Verfügung und werden vor der Züchtung in den Atomverhältnissen entsprechenden Gewichtsanteilen zusammengemischt.
  • Alternativ kann das Ausgangsmaterial als Granulat oder in stückiger Form mit einem maximalen Durchmesser von bis zu 1,5 cm vorliegen.
  • Das Verfahren kann den weiteren Schritt umfassen:
    • - Anpassen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer vorgegebenen Gitterkonstanten herzustellen.
  • Insbesondere, wenn der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall als Substrat für eine funktionale Schicht verwendet werden soll, die gitterangepasst oder gezielt verspannt auf das Substrat aufgebracht werden soll, beispielsweise auf dem Substrat aufgewachsen werden soll, können die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial angepasst werden, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer solchen Gitterkonstanten herzustellen, die der Gitterkonstante des Materials der funktionalen Schicht entspricht oder eine bestimmte Differenz zu dieser hat. Die Gitterkonstante des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls wird in diesen Fällen durch die Gitterkonstante der funktionalen Schicht vorgegeben und die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial entsprechend gewählt. Die Gitterkonstante des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kann beispielweise mittels der Vergardschen Regel berechnet werden, die die Gitterkonstanten der Einzelbestandteile, z.B. die Gitterkonstanten von Yttriumoxid und Scandiumoxid und deren Anteile im zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristall berücksichtigt.
  • Falls das Ausgangsmaterial und entsprechend auch der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall weitere Stoffe enthält, z.B. Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid, können auch deren Anteile im Ausgangsmaterial entsprechend angepasst werden, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer vorgegebenen Gitterkonstanten herzustellen.
  • Die Gitterkonstante des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kann auch dadurch vorgegeben und die Anteile der Stoffe im Ausgangsmaterial entsprechend angepasst werden, dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine vorgegebene Kristallfeldstärke aufweisen soll, die durch Einstellen der Gitterkonstante ebenfalls eingestellt werden kann. Beispielweise können die Kristallfeldstärke so eingestellt und die Anteile der Stoffe im Ausgangsmaterial entsprechend angepasst werden, dass ein Laserkristall Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich emittieren kann.
  • Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wird, kann das vermischte Ausgangsmaterial als loses oder gepresstes Pulver, als Granulat oder in stückiger Form in den Tiegel gegeben und geschmolzen werden.
  • Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Zonenschmelzverfahren, beispielsweise dem optischen Zonenschmelzen, gezüchtet wird, sollte das Ausgangsmaterial in Pulverform vorher gepresst und gesintert werden, um es in eine mechanisch stabile Form zu bringen.
  • Auch wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren oder anderen Kristallzüchtungsverfahren mit Tiegel gezüchtet wird, kann das Ausgangsmaterial vor dem Befüllen des Tiegels gepresst und/oder gesintert werden, um den Tiegel mit vergleichsweise weniger Aufschmelzvorgängen befüllen zu können.
  • Das Ausgangsmaterial hat bevorzugt eine Reinheit von mindestens 4N, d.h. es weist eine Beimischung anderer Stoffe von weniger als 0,01 % auf. Falls der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nicht als Laserkristall genutzt werden soll, kann das Ausgangsmaterial auch eine Beimischung anderer Stoffe von 0,01 % oder mehr aufweisen.
  • Hinsichtlich des Kristallzüchtungssystems wird erfindungsgemäß ein Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze vorgeschlagen, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält.
  • Das erfindungsgemäße Kristallzüchtungssystem enthält:
    • - einen Tiegel, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht,
    • - ein Ausgangsmaterial, welches wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, und
    • - ein Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, den Tiegel wenigstens bis zum vollständigen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials aufzuheizen.
  • Ein vollständiges Aufschmelzen kann beispielsweise durch Aufheizen bis zur Liquidustemperatur erreicht werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Kristallzüchtungssystem kann insbesondere das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze durchgeführt werden.
  • Das Ausgangsmaterial kann zusätzlich Lutetiumoxid aufweisen und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zusätzlich beispielsweise bis zu 45 % Lutetiumoxid enthalten. Lutetiumoxid hat eine kubische Kristallstruktur und eignet sich ebenfalls als Wirtsmaterial für einen Laserkristall, beispielweise für einen seltenerd-dotierten Festkörperlaser. Durch die Verwendung von Mischsystemen aus dem ternären System Y2O3 - Sc2O3 - Lu2O3 kann die Liquidustemperatur des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls auf Temperaturen von unter 2200 °C abgesenkt werden, so dass die Züchtung aus Iridium-Tiegeln nach dem Czochralski-Verfahren ermöglicht wird.
  • Der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann beispielsweise Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufweisen, sodass sich deren Anteile zu 100 % addieren, wobei dies umfasst, dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Dotieratomen dotiert sein kann. Alternativ können der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall und entsprechend auch das Ausgangsmaterial neben Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid auch weitere Stoffe, wie z.B. Erbiumoxid, enthalten. Ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, und zusätzlich bis zu 45 % Lutetiumoxid enthält, hat eine Liquidustemperatur, die regelmäßig unter 2400 °C und insbesondere unter 2200 °C beträgt. Ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall aus wenigstens Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid kann aufgrund der vergleichsweise niedrigen Liquidustemperatur in einem Tiegel gezüchtet werden, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht. Insbesondere wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall aus wenigstens Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid eine Liquidustemperatur unter 2200 °C hat, kann dieser aus der Schmelze in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet werden, beispielweise nach dem Czochralski-Verfahren.
  • In manchen Ausführungsbeispielen enthält der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall
    • - zwischen 5 % und 95 % Yttriumoxid, vorzugsweise zwischen 40 % und 70 % Yttriumoxid,
    • - zwischen 5 % und 95 % Scandiumoxid, vorzugsweise zwischen 30 % und 55 % Scandiumoxid, und
    • - zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise zwischen 0 % und 25 % Lutetiumoxid, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Lutetiumoxid aufweist, wenn der Anteil von Lutetiumoxid im Seltenerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall hat eine Liquidustemperatur unter 2400 °C, und insbesondere unter 2200 °C und kann regelmäßig in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet werden.
  • Das Ausgangsmaterial kann wenigstens Ytterbium (Yb), Thulium (Tm), Holmium (Ho), Erbium (Er) und/oder Neodym (Nd) aufweisen und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann mit Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd dotiert sein. Beispielsweise kann das Ausgangsmaterial bis zu 6 at. % Yb oder Tm aufweisen, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall bis zu 2 × 1021 cm-3 Yb oder Tm Atome aufweist. Das Ausgangsmaterial kann auch bis zu 1 at. % Ho oder Nd aufweisen, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall bis zu 3 × 1020 cm-3 Ho oder Nd Atome aufweist. Alternativ kann das Ausgangsmaterial bis zu 15 at. % Er aufweisen, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall bis zu 5 × 1021 cm-3 Er Atome aufweist.
  • Je nach Beimischung von Seltenerd-Dotieratomen kann die Liquidustemperatur des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls weiter gesenkt werden. Es hat sich gezeigt, dass dieser Effekt besonders stark auftritt, wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Erbium dotiert ist.
  • Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45SC0.55)203 und (Lu0.25Y0.4Sc0.35)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
  • Anhand von thermodynamischen Messungen hat sich zeigen lassen, dass in dem von den Zusammensetzungen (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25Y0,4Sc0,35)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendiagramm die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Temperatur unter 2170 °C ± 30 °C stattfindet. Ein binärer oder ternärer Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer Zusammensetzung aus diesem Bereich im ternären Phasendiagramm kann mit einem Kristallzüchtungssystem mit einem Iridium-Tiegel gezüchtet werden. Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid addieren sich in solchen Kristallen zu 100 %, wobei dies umfasst, dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Dotieratomen dotiert sein kann.
  • Weiter hat sich gezeigt, dass in einem von den Zusammensetzungen (Y0,75Sc0,25)2O3, (Y0,3Sc0,7)2O3, (Lu0,35Y0,25Sc0,4)2O3 und (Lu0,4Y0,4Sc0,2)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendiagramm die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Liquidustemperatur unterhalb von 2200 °C stattfindet. Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt werden, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,75Sc0,25)2O3,(Y0,3Sc0,7)2O3, (Lu0,35Y0,25Sc0,4)2O3 und (Lu0,4Y0,4Sc0,2)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
  • In einem von den Zusammensetzungen (Y0,85Sc0,15)2O3, (Y0,15Sc0,85)2O3, (Lu0,5Y0,1Sc0,4)2O3 und (Lu0,6Y0,25Sc0,15)2O3 aufgespannten Bereich findet die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Liquidustemperatur unterhalb von 2300 °C statt. Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt werden, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,85Sc0,15)2O3, (Y0,15Sc0,85)2O3, (Lu0,5Y0,1Sc0,4)2O3 und (Lu0,6Y0,25Sc0,15)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
  • In einem von den Zusammensetzungen (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0,8Sc0,2)2O3 und (Lu0,8Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich findet die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Liquidustemperatur unterhalb von 2400 °C statt. Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt werden, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0,8Sc0,15Y0,05)2O3 und (Lu0,8Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
  • Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, und zusätzlich bis zu 15 % Erbiumoxid enthalten. Optional kann ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zusätzlich bis zu 80 % Lutetiumoxid, insbesondere bis zu 45 % Lutetiumoxid, enthalten. Das Ausgangsmaterial weist dann zusätzlich Erbiumoxid auf und optional auch Lutetiumoxid. Bei einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall der aus drei oder mehr unterschiedlichen Stoffen besteht, beispielweise aus den vier Stoffen Yttriumoxid, Scandiumoxid, Erbiumoxid und Lutetiumoxid, kann die resultierende vergleichsweise größere Unordnung im Kristall zu einer vergleichsweise größeren Verbreiterung der Emissionsbandbreite des Kristalls führen, was für bestimmte Lasertypen von Vorteil ist.
  • Beispielweise haben thermodynamische Messungen gezeigt, dass ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3 eine Liquidustemperatur von unter 2050 °C, insbesondere von 2010+/-30 °C, und eine kubische Kristallstruktur hat.
  • Wenn der Anteil von Erbiumoxid in dem zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist, weist auch das Ausgangsmaterial zusätzlich Erbiumoxid auf. Vorzugsweise sind die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Er0.07Y0.43Sc0.5)2O3 aufgespannten ternären Phasendiagramm von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall weist nur Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid auf, sodass sich deren Anteile in dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zu 100 % addieren. Ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer Zusammensetzung aus dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Er0.07Y0.43Sc0.5)2O3 aufgespannten ternären Phasendiagramm hat eine Liquidustemperaturvon unter 2200 °C und eine kubische Kristallstruktur. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann insbesondere in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet werden, beispielsweise nach dem Czochralski-Verfahren. Insbesondere nach dem Czochralski-Verfahren kann ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall aus Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid mit einer Kristallqualität gezüchtet werden, der sich für die Verwendung als Laserkristall eignet.
  • Vorzugsweise sind die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid in dem Ausgangsmaterial des Kristallzüchtungssystems so gewählt, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2200 °C oder weniger, insbesondere zwischen 2000 °C und 2200 °C oder zwischen 2100 °C und 2200 °C, beträgt. Falls der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall weitere Stoffe enthält, z.B. Erbiumoxid und/oder Lutetiumoxid, sind auch deren Anteile in dem Ausgangsmaterial so gewählt, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2200 °C oder weniger, insbesondere zwischen 2000 °C und 2200 °C oder zwischen 2100 °C und 2200 °C, beträgt.
  • Die Erfindung schließt auch ein Verwenden eines Tiegels in einem Kristallzüchtungsverfahren ein, wobei der Tiegel aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat, zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält.
  • Das Kristallzüchtungsverfahren kann beispielsweise das Czochralski-Verfahren, das HEM-Verfahren oder ein alternatives Verfahren sein, in dem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls ein Tiegel verwendet wird. Vorzugsweise besteht der Tiegel aus Iridium. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann nur Yttriumoxid und Scandiumoxid oder zusätzlich bis zu 15 % Erbiumoxid und/oder bis zu 45 % Lutetiumoxid enthalten. Auch weitere Seltene Erden können zusätzlich zu Yttriumoxid und Scandiumoxid in dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall und entsprechend auch in dem Ausgangsmaterial enthalten sein. Insbesondere können solche Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle dotiert sein.
  • Die Erfindung schließt auch einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur ein, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, und der mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren oder einem der Verfahren der anderen Ausführungsformen derart hergestellt wurde, dass er als Laserkristall für einen Festkörperlaser geeignet ist. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der für einen Laserkristall notwendigen Kristallqualität kann beispielsweise nach dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren hergestellt worden sein, wobei in diesen Verfahren ein Tiegel verwendet wurde, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
  • Durch entsprechende Dotierung kann die Wellenlänge oder der Wellenlängenbereich, indem der als Laserkristall für einen Festkörperlaser verwendete Seltenerd-Sesquioxid-Kristall aus der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, Licht emittiert, eingestellt werden. Eine Dotierung kann bis zu 15 % des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls ausmachen. Eine Dotierung umfasst insbesondere diejenigen Stoffe, die für die laserrelevanten optischen Eigenschaften des Materials verantwortlich sind.
  • Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall beispielsweise mit Yb dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1 µm - 1,1 µm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Tm dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1,8 µm - 2 µm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Ho dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1,9 µm - 2,1 µm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Er dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1,5 µm oder 2,95 µm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Nd dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei Wellenlängen zwischen 0,9 µm und 1,6 µm Licht emittiert.
  • Auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, als oder für einen Szintillator ist möglich.
  • Die Erfindung schließt auch ein Substrat ein, welches aus einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur gebildet ist, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, und der nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
  • Durch Anpassen der Anteile der Stoffe in dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall und entsprechend in dem Ausgangsmaterial kann das Substrat eine Gitterkonstante haben, die der Gitterkonstante einer funktionalen Schicht entspricht, die auf das Substrat gitterangepasst aufgewachsen werden soll. Das Substrat kann durch Anpassen der Anteile der Stoffe in dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall auch eine derartige Gitterkonstante haben, dass eine Schicht durch gezielt verspanntes Schichtwachstum auf das Substrat aufgebracht werden kann.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
    • - Auswählen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid in einem Ausgangsmaterial, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C, beispielsweise zwischen 2000 °C und 2200 °C beträgt,
    • - Schmelzen des Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C, beispielsweise zwischen 2000 °C und 2200 °C.
  • Dieses Verfahren stellt eine eigene Erfindung dar, die eigenständig und unabhängig von aber auch in Kombination mit den vorstehend beschriebenen Aspekten realisiert werden kann. Insbesondere wird in dem Verfahren im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Verfahren nicht notwendigerweise ein Tiegel verwendet. In dem Verfahren wird das Ausgangsmaterial bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger geschmolzen. Das in dem Verfahren verwendete Ausgangsmaterial weist eine Liquidustemperatur von unter 2400 °C, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C, auf.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Stoffgemisch mit wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, sich azeotrop verhält, so dass eine Mischung in bestimmten Verhältnissen von diesen zu einer Liduidustemperatur führt, die unterhalb der Schmelzpunkte der Einzelkomponenten liegt. Bei dem Ausgangsmaterial, zum Beispiel aus wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, sowie optional weiteren Sesquioxiden, wie insbesondere Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid, handelt es sich um eine azeotrope Mischreihe. Insbesondere an und um einen azeotropen Punkt in einer azeotropen Mischreihe der Sesquioxide kann die Schmelztemperatur des Stoffgemisches unter derjenigen der Einzelkomponenten liegen.
  • Die Einzelkomponenten Scandiumoxid und Yttriumoxid für sich haben einen Schmelzpunkt von über 2400 °C, so dass im Gegensatz zur Erfindung aufwendigere Züchtungsaufbauten erforderlich sind, um Kristalle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid zu züchten. Dadurch, dass nach dem Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur eine niedrigere Temperatur von 2400 °C oder weniger zum Züchten erforderlich ist, kann ein einfacherer und kostengünstigerer Züchtungsaufbau verwendet werden, beispielsweise ein Tiegel aus Iridium in einem Züchtungsverfahren mit Tiegel, wie dem Czochralski-Verfahren oder ein kostengünstigerer Züchtungsaufbau für ein optisches Zonenschmelzen. Ferner ist zum Erzeugen einer niedrigeren Temperatur zum Züchten auch weniger Energie erforderlich, so dass die Kosten weiter reduziert werden können. Durch den niedrigeren Schmelzpunkt können auch Temperaturgradienten innerhalb der Schmelze und somit Spannungen in dem gezüchteten Seltenerd-Sesquioxid-Kristall verringert werden. Dies kann die optische Qualität des so gezüchteten Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls durch die Verringerung spannungsinduzierter Doppelbrechung verbessern.
  • Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann auch mittels eines tiegelfreien Verfahrens gezüchtet werden, besonderes bevorzugt mittels optischem Zonenschmelzen. Das optische Zonenschmelzen eignet sich insbesondere für die Herstellung elektrisch nichtleitender Materialien, die nicht induktiv geheizt werden können.
  • Beim optischen Zonenschmelzen können beispielsweise eine oder mehrere Lampen verwendet werden, um das Ausgangsmaterial in einer jeweiligen Zone zu erwärmen. Die Strahlung der Lampe oder Lampen kann zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls auf die jeweilige Zone des Ausgangsmaterials fokussiert und entlang des Ausgangsmaterials geführt werden. Alternativ kann das Ausgangsmaterial beim optischen Zonenschmelzen durch den Fokus geführt werden.
  • In dem tiegelfreien Kristallzüchtungsverfahren kann das Ausgangsmaterial dieselben Zusammensetzungen von Stoffen haben, wie sie vorstehend in Bezug auf die Kristallzüchtungsverfahren mit Tiegel beschrieben sind.
  • Das Ausgangsmaterial kann zum Beispiel zusätzlich zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid enthalten und Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3,(Lu0.8Sc0,2)2O3 und (Lu0,8Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt, ausgenommen den Punkt (Lu0,8Sc0,2)2O3.
  • Insbesondere kann das Ausgangsmaterial zusätzlich zwischen 0 % und 25 % Lutetiumoxid enthalten und Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45SC0.55)203 und (Lu0.25Y0.4Sc0.35)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
  • Alternativ kann das Ausgangsmaterial bis zu 15 % Erbiumoxid enthalten und die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Er0.07Y0.43Sc0.5)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt.
  • Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigt:
    • 1: ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze,
    • 2:ein schematisch dargestelltes Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze,
    • 3:einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3, der nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wurde,
    • 4:ein durch Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufgespanntes ternäres Phasendiagramm,
    • 5:eine Vielzahl Messungen zur Bestimmung der Solidus- und Liquidustemperaturen eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls der Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid jeweils zu unterschiedlichen Anteilen enthält,
    • 6:Differenz-Thermoanalyse-Untersuchungen des Solidus- und Liquiduspunkts eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit derselben Zusammensetzung, wie der in 3 gezeigte Seltenerd-Sesquioxid-Kristall, und
    • 7:einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3, der mittels optischem Zonenschmelzen gezüchtet wurde.
  • 1 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Das Verfahren dient dazu einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zu züchten, der wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält.
  • Das Verfahren kann im Rahmen eines bereits bekannten Kristallzüchtungsverfahrens durchgeführt werden, beispielsweise als Modifikation des Czochralski-Verfahrens und des optischen Zonenschmelzverfahrens.
  • In dem Verfahren wird zunächst ein Ausgangsmaterial bereitgestellt (Schritt S1). In diesem Ausführungsbeispiel, umfasst das Ausgangsmaterial 10 % Lutetiumoxid, 50 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid. In anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens kann das Ausgangsmaterial zusätzlich oder alternativ auch andere Stoffe umfassen, jedoch wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid. Das Ausgangsmaterial kann in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nur Yttriumoxid und Scandiumoxid umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens kann das Ausgangsmaterial beispielsweise zusätzlich Erbiumoxid und/oder Lutetiumoxid umfassen. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise auch Seltenerd-Dotier-atome aufweisen, beispielsweise Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd.
  • Die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid und - falls vorhanden - der weiteren Stoffe wie Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid können im Ausgangsmaterial so angepasst sein, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine vorgegebene Gitterkonstante hat. Die Gitterkonstante des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kann beispielsweise durch die Gitterkonstante des Stoffes derjenigen Schicht vorgegeben sein, die gitterangepasst oder mit definierten Versatz auf ein aus dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall hergestelltes Substrat aufgebracht werden soll.
  • Das Ausgangsmaterial liegt in Pulverform vor und wird in einen Tiegel aus Iridium gegeben (Schritt S2). In alternativen Ausführungsbeispielen wird das Ausgangsmaterial in einen anderen Tiegel gegeben, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
  • In dem Tiegel wird das Ausgangsmaterial geschmolzen (Schritt 3). Ein Impfkristall wird mit der Schmelze in Berührung gebracht und nach dem Czochralski-Verfahren wird aus der Schmelze ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall gezüchtet (Schritt S4). In alternativen Ausführungsbeispielen wird das Ausgangsmaterial in dem Tiegel geschmolzen und der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall anschließend nach einem anderen Kristallzüchtungsverfahren als dem Czochralski-Verfahren gezüchtet, beispielweise nach Bridgman-Verfahren.
  • 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Kristallzüchtungssystem 200 zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze.
  • Das Kristallzüchtungssystem 200 ist in einer Seitenansicht mit Blick auf einen Längsschnitt durch das Kristallzüchtungssystem 200 dargestellt.
  • Mit dem Kristallzüchtungssystem 200 kann das vorstehend in Bezug auf 1 beschriebene Verfahren durchgeführt werden.
  • Das Kristallzüchtungssystem 200 umfasst einen Tiegel 202 aus Iridium. Der Tiegel hat eine zylindrische Form. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst das Kristallzüchtungssystem 200 einen anderen Tiegel, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht. Alternativ kann der Tiegel 202 auch eine andere Form haben, und beispielweise ausgehend von der Öffnung konisch zusammenlaufen.
  • Das Kristallzüchtungssystem 200 umfasst weiterhin ein Ausgangsmaterial 204, welches Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufweist. Insbesondere weist das Ausgangsmaterial 204 in diesem Ausführungsbeispiel 10 % Lutetiumoxid, 50 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid auf. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst das Ausgangsmaterial wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, und kann zusätzlich weitere Stoffe enthalten, beispielweise bis zu 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise bis zu 45 % Lutetiumoxid und/oder bis zu 15 % Erbiumoxid. Das Ausgangsmaterial 204 kann auch nur Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweisen. In der Regel weist das Ausgangsmaterial 204 Seltenerd-Dotieratomen auf, sodass der aus dem Ausgangsmaterial 204 gezüchtete Seltenerd-Sesquioxid-Kristall dotiert ist.
  • Der Tiegel 202 ist von einer Isolierung 206 umgeben, die ausgebildet und angeordnet ist, einen definierten Temperaturgradienten innerhalb der Schmelze zu gewährleisten. Es ist auch möglich, dass der Tiegel 202 nicht von einer Isolierung umgeben, sondern direkt mit einem Heizelement in Kontakt ist.
  • Bei dem Kristallzüchtungssystem 200 ist jedoch um die Isolierung 206 ein Heizelement 208 angeordnet. Das Heizelement 208 ist als Induktionsheizelement ausgebildet und umfasst eine Induktionsheizspule, die als Helix um den Tiegel 202 gewickelt ist. Mit dem Heizelement 208 kann der Tiegel 202 mit dem Ausgangsmaterial 204 mittels Radiofrequenzstrahlung induktiv bis zum vollständigen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials 204, beispielsweise bis zur Liquidustemperatur des Ausgangsmaterials 204, erhitzt werden, um aus einem typischerweise pulverförmigen Ausgangsmaterial 204 eine Schmelze zu erzeugen, aus der der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall gezüchtet werden kann.
  • Falls das Kristallzüchtungssystem 200 dazu verwendet werden soll, einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren zu züchten, weist dieses zusätzlich einen an einem Halter 210 befestigten Impfkristall 212 und eine Vorrichtung 214 auf, um den Impfkristall 212 an dem Halter 210 unter Drehen, kontrolliert aus der Schmelze zu ziehen.
  • 3 zeigt einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3.
  • Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 wurde nach dem Czochralski-Verfahren in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 hat eine kubische Kristallstruktur und eine Liquidustemperatur von weniger als 2050 °C. In diesem Ausführungsbeispiel wurden als Ausgangsmaterial für den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 Erbiumoxid, Yttriumoxid und Scandiumoxid in Pulverform mit einer Reinheit von 4N verwendet. Die Kristallqualität des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls 300 reicht aus, um diesen als Laserkristall zu verwenden.
  • Aus dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 kann auch ein Substrat gefertigt werden, auf das weitere Schichten im Schichtwachstum aufgewachsen werden können, um daraus anschließend ein optisches oder elektrooptisches Bauteil zu fertigen.
  • 4 zeigt ein durch Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufgespanntes ternäres Phasendiagramm 400. Die Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle mit in dem ternären Phasendiagramm 400 gezeigten Zusammensetzungen haben Liquidustemperaturen zwischen 2090 °C und 2490 °C.
  • Die mit einem Stern-Symbol 402 gekennzeichneten Temperaturwerte entsprechen den Liquidustemperaturen, der jeweiligen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle, die Gegenstand der in Bezug auf 5 beschriebenen Messungen waren. Die mit einem Rechteck-Symbol 404 gekennzeichneten Temperaturwerte für Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle mit jeweils unterschiedlichen Anteilen von Scandiumoxid und Lutetiumoxid stammen von Badie, J.M., „Étude de la structure des phases à haute temperature presentees pas les systemes Sc2O3-La2O3 et Sc2O3-Nd2O3“, aus High Temp. - High Press., 1970. 2: Seiten 309-316 und Peters, R., K. Petermann, and G. Huber, „Growth technology and laser properties of Ybdoped sesquioxides“, aus Crystal Growth Technology - Semiconductors and Dielectrics, P. Capper and P Rudolph, Editors. 2010, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim. Seiten 267-282.
  • Mit einem Kreis-Symbol 406 sind weitere in thermodynamischen Untersuchungen gewonnene Temperaturwerte im ternären Phasendiagramm angegeben. Das Phasendiagramm 400 wurde durch Interpolation zwischen den als Kreis-Symbol 406 dargestellten Messpunkten erstellt.
  • Insbesondere in dem durch die Zusammensetzungen (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Lu0.25Y0.4Sc0.35)2O3 aufgespannten Bereich 408 findet die Kristallisation der jeweiligen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle in einer kubischen Phase mit Liquidustemperaturen unterhalb von 2170 °C ± 30 °C statt. Durch Beimischung von anderen Seltenerdatomen, wie es in 6 beispielhaft für eine Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3 gezeigt ist, ist es möglich, die Liquidustemperatur noch weiter zu senken.
  • In dem durch die Zusammensetzungen (Y0,75Sc0,25)2O3, (Y0,3Sc0,7)2O3, (Lu0,35Y0,25Sc0,4)2O3 und (Lu0,4Y0,4Sc0,2)2O3 aufgespannten Bereich 410 liegen die Liquidustemperaturen unterhalb von 2200 °C.
  • In dem von den Zusammensetzungen (Y0,85Sc0,15)2O3, (Y0,15Sc0,85)2O3, (Lu0,5Y0,1Sc0,4)2O3 und (Lu0,6Y0,25Sc0,15)2O3 aufgespannten Bereich 412 liegen die Liquidustemperaturen unterhalb von 2300 °C.
  • In dem von den Zusammensetzungen (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3,(Lu0,8Sc0,15Y0,05)2O3 und (Lu0,8Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich 414 liegen die Liquidustemperaturen unterhalb von 2400 °C.
  • 5 zeigt eine Vielzahl Messungen 500 zur Bestimmung der Solidus- und Liquidustemperaturen eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls der Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid jeweils zu unterschiedlichen Anteilen enthält.
  • Für jede der Messungen 500 ist das Differenz-Thermoanalyse (DTA)-Signal in µV/mg eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit jeweils unterschiedlichen Anteilen von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid über der Temperatur zwischen 1950 °C bis 2250 °C angegeben. Dabei wurde der Anteil an Lutetiumoxid für die Messungen sukzessive von 0 % bis 43 % erhöht und gleichzeitig der Anteil von Scandiumoxid von 60 % auf 34 % sowie der Anteil von Yttriumoxid von 40 % auf 23 % gesenkt, wobei die Summe aus den Anteilen von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid sich für jeden der Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle jeweils zu 100 % aufaddieren.
  • Insbesondere wurden die Messkurve 500.1 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,0Sc0,60Y0,40)2O3, die Messkurve 500.2 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,04Sc0,58Y0,38)2O3, die Messkurve 500.3 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,07Sc0,56Y0,37)2O3, die Messkurve 500.4 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,12Sc0,53Y0,35)2O3, die Messkurve 500.5 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,17Sc0,50Y0,33)2O3, die Messkurve 500.6 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,23Sc0,46Y0,31)2O3, die Messkurve 500.7 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,28Sc0,43Y0,29)2O3, die Messkurve 500.8 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,32Sc0,41Y0,27)2O3, die Messkurve 500.9 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,36Sc0,38Y0,26)2O3, die Messkurve 500.10 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,40Sc0,36Y0,24)2O3, und die Messkurve 500.11 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,43Sc0,34Y0,23)2O3 aufgenommen.
  • Jede der Messkurven 500.1 bis 500.11 weist bei einer ersten Temperatur eine erste Markierung 502, die den Solidus-Punkt angibt und bei einer im Vergleich zu der ersten Temperatur höheren zweiten Temperatur eine zweite Markierung 504, die den Liquidus-Punkt angibt, auf.
  • Die Messungen 500 zeigen, dass das untersuchte Materialsystem in einem weiten Zusammensetzungsbereich Liquidustemperaturen unterhalb von 2170 °C (gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie 506) aufweist.
  • Die aus den Messkurven 500.1 bis 500.11 extrahierten Liquidustemperaturen der unterschiedlichen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle sind in dem in 4 gezeigten ternären Phasendiagramm als Stern-Symbole eingezeichnet.
  • 6 zeigt drei in zeitlicher Abfolge durchgeführte Differenz-Thermoanalyse (DTA)-Untersuchungen 600 der Liquidustemperatur eines Seltenerd-Sesquioxids mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3. Diese Zusammensetzung entspricht der Zusammensetzung des in 3 gezeigten Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls.
  • Bei einer DTA-Untersuchung wird ein Material in einem Tiegel erhitzt und die Erwärmung pro Energiezufuhr gemessen. Entsprechend sind für die Messkurven 600.1, 600.2, und 600.3 jeweils das Differenz-Thermoanalyse (DTA)-Signal in µV/mg des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls über der Temperatur zwischen 1660 °C und 2320 °C angegeben.
  • Um die erste Messkurve 600.1 zu erhalten wurde zunächst das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls geschmolzen. Das Pulver hat einen vergleichsweise schlechteren Wärmekontakt zum Tiegel, weshalb die erste Messung unter Umständen vergleichsweise ungenau sein kann. Außerdem ist das noch nicht geschmolzene Pulver unter Umständen inhomogen und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, was zu Fehlinterpretationen führen kann. Nachdem das Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und wieder erstarrt ist, befindet sich die Probe im thermodynamischen Gleichgewicht, ist homogen und der Wärmekontakt deutlich verbessert. Deshalb wurde die DTA-Untersuchung zweimal wiederholt. Die erste Wiederholung hat zu der Messkurve 600.2 und die zweite Wiederholung zu der Messkurve 600.3 geführt. Die Ähnlichkeit der drei Messkurven 600.1, 600.2, 600.3 belegt die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der durchgeführten DTA-Untersuchungen.
  • Bei einem Phasenübergang (hier Schmelzen) wird Energie benötigt oder freigesetzt, was anhand von Ausschlägen im DTA-Signalverlauf erkennbar ist. An diesen Ausschlägen lässt sich z.B. der Solidus-Punkt und der Liquidus-Punkt eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls erkennen.
  • Für den untersuchten Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3 ergibt sich so aus den Messkurven 600.1, 600.2, 600.3 ein Solidus-Punkt von (2010 +/- 10) °C und ein Liquidus-Punkt von (2045 +/- 10) °C.
  • In 7 ist ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 700 mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0,43Sc0,5)2O3 gezeigt, der mittels optischem Zonenschmelzen gezüchtet wurde.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung das Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall enthält wenigstens 5 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, so dass seine Liquidustemperatur unter 2400 °C beträgt. Alternativ kann der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall auch Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid enthalten und die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid können in einem Ausgangsmaterial so ausgewählt sein, dass der zu züchtende Selternerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur von unter 2400 °C hat. Das Ausgangsmaterial kann in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C hat, bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger geschmolzen werden. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial unter Verwenden eines Kristallzüchtungsverfahrens, beispielsweise des Czochralski-Verfahrens oder des HEM-Verfahrens gezüchtet werden. Auch ein tiegelfreies Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls ist bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger möglich, beispielsweise mittels optischem Zonenschmelzen.
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Claims (19)

  1. Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid enthält, aus einer Schmelze, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: - Schmelzen eines Ausgangsmaterials, das wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: - Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall unter Verwenden des Czochralski-Verfahrens, des HEM-Verfahrens, des Skull-melting Verfahrens, des Bagdasarov-Verfahrens, oder des Bridgman-Verfahrens gezüchtet wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, das den Schritt umfasst: - Anpassen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer vorgegebenen Gitterkonstanten herzustellen.
  5. Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze, wobei das Kristallzüchtungssystem enthält: - einen Tiegel, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht, - ein Ausgangsmaterial, welches wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist und - ein Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, den Tiegel wenigstens bis zum vollständigen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials aufzuheizen.
  6. Kristallzüchtungssystem gemäß Anspruch 5, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Lutetiumoxid aufweist und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zusätzlich bis zu 45 % Lutetiumoxid enthält.
  7. Kristallzüchtungssystem gemäß Anspruch 5, wobei der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall - zwischen 5 % und 95 % Yttriumoxid, vorzugsweise zwischen 40 % und 70 % Yttriumoxid, - zwischen 5 % und 95 % Scandiumoxid, vorzugsweise zwischen 30 % und 55 % Scandiumoxid, und - zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise zwischen 0 % und 25 % Lutetiumoxid enthält, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Lutetiumoxid aufweist, wenn der Anteil von Lutetiumoxid im Seltenerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist.
  8. Kristallzüchtungssystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Ausgangsmaterial wenigstens Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd aufweist und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd dotiert ist.
  9. Kristallzüchtungssystem nach Anspruch 7, wobei Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7SC0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Lu0.25Y0.4Sc0.35)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
  10. Kristallzüchtungssystem gemäß wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Erbiumoxid aufweist und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zusätzlich bis zu 15 % Erbiumoxid enthält.
  11. Kristallzüchtungssystem nach Anspruch 5, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Erbiumoxid aufweist, wenn der Anteil von Erbiumoxid in dem zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist und wobei die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Er0.07Y0.43Sc0.5)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt.
  12. Kristallzüchtungssystem gemäß wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2200 °C oder weniger, insbesondere zwischen 2000 °C und 2200 °C oder zwischen 2100 °C und 2200 °C, beträgt.
  13. Verwenden eines Tiegels in einem Kristallzüchtungsverfahren, wobei der Tiegel aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat, zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid enthält.
  14. Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur, derwenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid enthält, und der mit einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 derart hergestellt wurde, dass er als Laserkristall für einen Festkörperlaser geeignet ist.
  15. Substrat, welches aus einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur gebildet ist, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, und der mit einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.
  16. Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: - Auswählen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid in einem Ausgangsmaterial, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C beträgt, - Schmelzen des Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mittels eines tiegelfreien Verfahrens, insbesondere optischem Zonenschmelzen, gezüchtet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise zwischen 0 % und 25 % Lutetiumoxid enthält und Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0.8Sc0,2)2O3 und (Lu0,8Y0,15Sc0,05)2O3, vorzugsweise durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Lu0.25Y0.4Sc0.35)2O3, aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt, ausgenommen den Punkt (Lu0,8Sc0,2)2O3.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Ausgangsmaterial bis zu 15 % Erbiumoxid enthält und die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0.7Sc0.3)2O3, (Y0.45Sc0.55)2O3 und (Er0.07Y0.43Sc0.5)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt.
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