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Verfahren zum Herstellen von Quarzkristallen Die Erfindung betrifft
Verfahren zum Züchten von Quarzkristallen. Es ist bereits bekannt, Quarzkristalle
auf in einem wäßrigen Medium aufgehängten Quarzimpfkristallen unter bestimmten Bedingungen,
d. h. hoher Temperatur und hohem Druck, unter Verwendung einer Masse von Quarzteilchen
als Muttersubstanz für das Kristallwachstum zu züchten. Anfangs glaubte man, daß
zum Züchten von Quarzkristallen von ausreichend guter Qualität und einer Größe,
die ein Zerschneiden ermöglichte, um piezoelektrische Kristallelemente herzustellen,
es notwendig wäre, als Muttersubstanz Quarz höchster Qualität (sogenannten Bergkristall)
anzuwenden, der zur Zeit in entsprechenden Mengen nur an wenigen Orten außerhalb
Großbritanniens, insbesondere in Brasilien, zur Verfügung steht. Bei den erfolgreichen
Verfahren zum Züchten von Quarzkristallen unter Verwendung von Quarz höchster Qualität
als Muttersubstanz werden im-allgemeinen Impfkristalle über der Muttersubstanzmasse
in einem Autoklav aufgehängt, wobei das wäßrige Medium in dem Autoklav gewöhnlich
eine @Natriumcarbonatlösung ist.
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Der Boden des Autoklavs wird bei einer etwas höheren Temperatur gehalten
als das Oberteil, so daß sich der OOuarz aus der Muttersubstanz herauslöst und aus
der übersättigten Lösung um die Impfkristalle herum auf diesen niedergeschlagen
wird.
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Ähnliche Verfahren zum Züchten von O_uarzkristallen unter Verwendung
von Flint- oder Ouarzitteilchen als Ausgangsmaterial sind auch schon bekannt. Bei
der Züchtung von Quarzkristallen guter Qualität unter Verwendung dieser Muttersubstanz
hat es sich als notwendig erwiesen, die Wachstumsbedingungen zu modifizieren, wobei
die wichtigste Veränderung in der Änderung der Zusammensetzung des wäßrigen Mediums
lag, die zu einer Lösung von Natriumhydroxyd und Natriumfluorid sowie auch Natriumcarbonat
wurde, wobei die jeweiligen Anteile dieser Bestandteile innerhalb gewisser ganz
bestimmter Grenzen lagen.
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Die Untersuchungen, die angestellt wurden, um herauszufinden, warum
die Wachstumsbedingungen im Falle des Quarzits modifiziert werden müssen, haben
zur Auffindung des Faktors geführt. der das Versagen des unmodifizierten Verfahrens
verursacht. Ouarzit ist in der Hauptsache aus kleinen willkürlich orientierten Quarzkörnern
zusammengesetzt, die mit einer späteren Ablagerung von Kieselsäure, die oft Verunreinigungen,
z. B. Feldspäte, enthält, verkittet sind. Diese Verunreinigungen können auch als
getrennte Körnchen von ähnlicher Größe wie die Ouarzkörnchen vorliegen. Der Erfolg
oder Nichterfolg des unmodifizierten Verfahrens hängt nun davon ab, ob die Quarzkörnchen
selbst verfügbares Aluminium enthalten oder ob das Bindemittel oder die Körnchen,
die die Verunreinigung ausmachen, aluminiumhaltig sind und dieses Metall freigeben.
Das kann durch ein Prüfverfahren an einer Quarzitprobe festgestellt werden, indem
eine dünne Scheibe der Probe mit einer geeigneten Dosis Röntgenstrahlen bestrahlt
wird, die, wenn Aluminium vorhanden ist, eine beobachtbare Schwärzung der Quarzkörnchen
verursacht.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen von O_uarzkristallen nach an sich
bekannten Methoden wird erfindungsgemäß als Nährmasse Ouarzit mit so geringer Verunreinigung
verwendet, daß die zuvor erfolgte Röntgenbestrahlung einer Probe keine oder praktisch
keine Schwärzung in den Quarzitteilchen ergibt. Der Vorteil des Verfahrens nach
der Erfindung liegt darin, daß man mit billigem Quarzit als Nährmasse hochwertige
Quarzkristalle sogenannter piezoelektrischer Qualität erhält.
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Als bekannte Methode im Sinne der Erfindung kann mit Vorteil beispielsweise
ein Verfahren benutzt werden, bei dem ein Gefäß, das nach dem Verschließen und beim
Erhitzen hohen Temperaturen und Innendrücken zu widerstehen vermag, mit der erfindungsgemäß
definierten Nährsubstanz und einem wäßrigen Medium gefüllt wird, das das Innere
des Gefäßes so weit füllt, daß das Verhältnis nach Eindringen des Ausgangsmaterials
verfügbaren
Volumens zu dem tatsächlich ausgefüllten Volumen zwischen 1,18 und 1;46 liegt, wobei
das Medium Natriumcarbonat in einer Lösung enthält, die 0,5 bis 3,0n ist. In dem
Gefäß werden abseits von der Nährsubstanz ein oder mehrere Impfkristalle aufgehängt.
Danach wird das Gefäß verschlossen und so weit erhitzt, daß die Temperatur des wäßrigen
Mediums in dem Gefäß zwischen 320 und 400° C liegt und die Temperatur der Lösung
in dem Gebiet der Nährsubstanz um 5 bis 20° C höher liegt als die der Lösung in
dem Gebiet der Impfkristalle. Dabei werden die Masse und die gesamte Oberfläche
der Nährsubstanz zu Beginn in bezug auf die anderen Variablen so festgelegt, daß
eine mittlere Ablagerungsgeschwindigkeit des Quarzes auf den Wachstumsflächen der
Impfkristalle aufrechterhalten wird, die im Durchschnitt täglich eine Dickenzunahme
senkrecht zur und auf jeder Fläche von zwischen 0,3 und 1,0 mm bewirkt. Die Zeit
der Erwärmung wird so festgelegt, daß eine Gesamtablagerung auf jedem Impfkristall
in der gewünschten Größenordnung erfolgt.
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Bei der praktischen Durchführung kann es sich als schwierig erweisen,
die Temperaturen innerhalb des in Betrieb befindlichen Gefäßes zu messen. Bei einem
Gefäß aus Metall, wie es gewöhnlich der Fall ist, können Messungen der Temperatur
an verschiedenen Stellen innerhalb des Gefäßes durch Feststellung der Temperatur
an den entsprechenden Stellen an den Außenflächen des Gefäßes vorgenommen werden,
obwohl diese Daten nicht genau den Temperaturen der Lösung innerhalb des Gefäßes
entsprechen.
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Unter einer Quarzitprobe, die praktisch keine Schwärzung zeigt, ist
eine Probe zu ;-erstehen, die nur eine sehr geringe Schwärzung erleidet, die aber
bei Durchführung des oben beschriebenen Probeversuches sich als geeignet erweist.