DE1251294B - Ernest Denicke KoIb New Providence, N J, Robert Alfred Iaudise Berkeley Heights N] (V St A) I Method for growing zinc oxide single crystals - Google Patents

Ernest Denicke KoIb New Providence, N J, Robert Alfred Iaudise Berkeley Heights N] (V St A) I Method for growing zinc oxide single crystals

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DE1251294B DENDAT1251294D DE1251294DA DE1251294B DE 1251294 B DE1251294 B DE 1251294B DE NDAT1251294 D DENDAT1251294 D DE NDAT1251294D DE 1251294D A DE1251294D A DE 1251294DA DE 1251294 B DE1251294 B DE 1251294B
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    • Y10T117/1096Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state including pressurized crystallization means [e.g., hydrothermal]

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES S/fflWW> PATENTAMTFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN S / fflWW> PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

Deutsche Kl.:German class:

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COiG -COiG -

12 η-9/02 12 η -9/02

W36299IV a/12 η
29. Februar 1964
5. Oktober 1967
W36299IV a / 12 η
February 29, 1964
5th October 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten von Zinkoxyd-Einkristallen aus einer hydrothermalen Lösung.The invention relates to a method for growing zinc oxide single crystals from a hydrothermal Solution.

Zinkoxyd weist neben einem stark piezoelektrischen Effekt einen beachtlich höheren Kopplungskoeffizienten als Quarz auf. Diese Entdeckung führte zu großen Anstrengungen, Züchtungsverfahren zu entwickeln, mit deren Hilfe Zinkoxydkristalle in ausreichender Größe und mit ausreichender Qualität hergestellt werden können, um diese in zahlreiche piezoelektrische Wandlerelemente aufweisende Vorrichtungen einzusetzen.In addition to a strong piezoelectric effect, zinc oxide has a considerably higher coupling coefficient than quartz. This discovery led to great efforts to develop breeding methods, with the help of which zinc oxide crystals of sufficient size and quality can be fabricated to convert them into devices comprising a variety of piezoelectric transducer elements to use.

Ein Verfahren zum Züchten von Zinkoxydkristallen aus hydrothermaler Lösung ist in der Zeitschrift »Journal of Physical Chemistry«, Vol. 64, S. 688 bis 691, Mai 1960, beschrieben. Dieses Verfahren erwies sich zwar grundsätzlich als brauchbar, lieferte aber häufig stark verunreinigte Kristalle, deren Aufbau fehlerhaft oder stark gestört war. Der fehlerhafte Aufbau ist das Ergebnis von Mängeln, die dem bei diesem Verfahren auftretenden Wachstumsmechanismus eigen sind. Bei Zinkoxydkristallen herrscht in Richtung der e-Achse die größte Wachstumsgeschwindigkeit. Während des KristaUwachstums wird die Wachstumsebene, die (OOOl)-Ebene rauh oder unregelmäßig, und zwar infolge des Aufwachsens neuer Atomlagen, bevor die ursprüngliche Netzebene vollendet ist. Infolge des vorhandenen Gradienten der Übersättigung beginnen dann die erhabenen Stellen der unebenen Wachstumsfläche schneller zu wachsen als die Täler derselben. Schließlich geht das Kristallwachstum in dendritisches Wachstum über.One method of growing zinc oxide crystals from hydrothermal solution is in the journal "Journal of Physical Chemistry", Vol. 64, pp. 688 to 691, May 1960, described. This procedure proved In principle, it was found to be useful, but it often produced heavily contaminated crystals and their structure was faulty or severely disturbed. The faulty structure is the result of deficiencies in the this process occurring growth mechanism are peculiar. In the case of zinc oxide crystals, in Direction of the e-axis the greatest growth speed. During crystal growth the plane of growth, the (OOOl) plane, becomes rough or irregular, as a result of the growth new atomic layers before the original network layer is completed. As a result of the existing gradient The raised areas of the uneven growth surface then begin to over-saturate more quickly to grow as their valleys. Eventually the crystal growth goes into dendritic growth above.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Ausbildung zusätzlicher Wachstumsstufen während eines in Kristallebenen erfolgenden Wachstumes zu behindern oder zu unterdrücken, so daß Kristallwachstum gleichförmig wird, d. h. daß das Kristallwachstum unter einem im wesentlichen parallel zu sich erfolgenden Verschieben der Kristallwachstumsebenen vor sich geht.The invention is therefore based on the object of the formation of additional growth stages during to hinder or suppress a growth occurring in crystal planes, so that crystal growth becomes uniform, d. H. that crystal growth under a substantially parallel to shifting of the crystal growth planes taking place.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem Verfahren zum Züchten von Zinkoxyd-Einkristallen aus einer ein Metallhydroxyd enthaltenden hydrothermalen, stark basischen Lösung durch Eintauchen eines Zinkoxydkristallkeimes bei einem Druck von mindestens 225 kg/qcm und einer Temperatur von mindestens 300° C, wobei zwischen der Umgebung des Kristallkeims und derjenigen des Zinkoxydbodensatzes eine Temperaturdifferenz zwischen 5 und 100° C aufrechterhalten wird; die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der hydro-Verfahren zum Züchten
von Zinkoxyd-Einkristallen
To solve this problem, the starting point is a method for growing zinc oxide single crystals from a hydrothermal, strongly basic solution containing a metal hydroxide by immersing a zinc oxide crystal seed at a pressure of at least 225 kg / sq.cm and a temperature of at least 300 ° C, with between the In the vicinity of the crystal nucleus and that of the zinc oxide sediment, a temperature difference between 5 and 100 ° C is maintained; the solution according to the invention is that the hydro-method of growing
of zinc oxide single crystals

Anmelder:Applicant:

Western Electric Company Incorporated,Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,Dipl.-Ing. H. Fecht, patent attorney,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Anthony Joseph Caporaso, Summit, N. J.;
Ernest Denicke KoIb, New Providence, N. J.;
Robert Alfred Laudise, Berkeley Heights, N. J.
(V. St. A.)
Anthony Joseph Caporaso, Summit, NJ;
Ernest Denicke KoIb, New Providence, NJ;
Robert Alfred Laudise, Berkeley Heights, NJ
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 27. März 1963 (268 326)V. St. v. America March 27, 1963 (268 326)

thermalen, OH-Ionen in einer 2- bis 8molaren Konzentration enthaltenden Lösung Lithiumionen in einer molaren Konzentration zwischen 0,1 und 4,0 zugegeben werden.thermal, OH ions in a 2 to 8 molar concentration solution containing lithium ions in a molar concentration between 0.1 and 4.0 be admitted.

Die Lithiumionenbeigabe erfolgt zweckmäßig dadurch, daß LiF, LiOH oder LiB4O7 zugegeben wird.The addition of lithium ions is expediently carried out by adding LiF, LiOH or LiB 4 O 7 .

Im folgenden ist die Erfindung an Hand einer inIn the following the invention is based on an in

der Zeichnung perspektivisch und teilweise im Schnitt dargestellten, in ähnlicher Weise schon bekannten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im einzelnen beschrieben.the drawing shown in perspective and partially in section, in a similar manner already known Device for performing the method described in detail.

Die dargestellte Vorrichtung ist ein in der Technik allgemein bekannter Autoklav. Sein Gehäuse 10 ist aus hochzugfestem Stahl hergestellt. Das Gehäuse 10 ist durch einen Deckel 11 verschlossen. Im Deckel 11 ist ein Stößel angeordnet. Im Innern des Gehäuses ist eine Auskleidung 13 vorgesehen. Die Auskleidung wird durch eine Abdichtscheibe 14 und durch den unteren Teil des Stößels 12 verschlossen. Die Auskleidung besteht aus einem Edelmetall. Insbesondere ist hierfür Silber geeignet, da es gegenüber der heißen alkalischen hydrothermalen Lösung korrosionsbeständig ist.The apparatus shown is an autoclave well known in the art. Its housing 10 is made of high tensile steel. The housing 10 is closed by a cover 11. In the lid 11 a plunger is arranged. A lining 13 is provided in the interior of the housing. The lining is closed by a sealing disk 14 and by the lower part of the plunger 12. The lining consists of a precious metal. In particular, silver is suitable for this because it is hot compared to the alkaline hydrothermal solution is corrosion resistant.

709 650/270709 650/270

3 4 3 4

Zum Auskleiden des Autoklavinnem wird dieses eignet sind Lithiumacetat, Lithiumtetraborat, Lithivon Unebenheiten und Bearbeitungsriefen befreit. umcitrat, Lithiumformat, Lithiumhydroxyd, Lithium-Der Grund des Hohlraumes wird so bearbeitet, daß nitrat, Lithiumoxalat, Lithiumsulfat und Lithiumer einen Krümmungsradius von 0,317 cm aufweist Halogen-Verbindungen.Lithium acetate, lithium tetraborate and lithivon are suitable for lining the inside of the autoclave Unevenness and machining marks removed. citrate, lithium format, lithium hydroxide, lithium der The bottom of the cavity is processed so that nitrate, lithium oxalate, lithium sulfate and lithium has a radius of curvature of 0.317 cm halogen compounds.

und er glatt ist, besonders an der Übergangsstelle 5 Der Boden des Autoklavs wird mit als Nährstoff vom Boden zur Wand. Ein 0,0794 cm starkes Abfluß- dienenden Zinkoxydpartikeln gefüllt. Das Eingehen loch (nicht dargestellt) wird in den Boden des Ge- der Zinkoxydkorngröße auf die Wachstumsgeschwinhäuses eingearbeitet. Die Auskleidung wird aus digkeit und die Vollkommenheit der gezüchteten Kri-1,14 mm Anodensilber 'hergestellt und mit einem aus stalle kann mittels Oberflächengröße der Partikeln Sterlingsilber bestehenden 1,91 mm dicken Flansch io und Konvektionsströmung im Gefäß gedeutet wer-15 versehen. Die Auskleidung wird unter 72Stündigem. den. Eine kleine Korngröße verursacht eine dichte bei 400° C in Heliumatmosphäre erfolgendem Zwi- Packung im Autoklav und verhindert eine Zirkulaschenglühen tiefgezogen. Während des Ziehvorganges tion der Lösung durch den Nährstoff hindurch. Die auftretende Materialspannungen und Kornwachs- für eine Auflösung effektiv dargebotene Oberfläche ist tumsvorgänge werden durch Verwendung von 15 in diesem Grenzfall gleich dem Querschnitt des AutoSchmiermitteln und durch langsames Ziehen auf ein klavs. Unter diesen Bedingungen wird das Kristall-Minimum reduziert. Der Flansch 15 wird an der Aus- wachstum durch die Größe der Auflösungsgeschwinkleidung mittels Helium-Schutzgas-Lichtbogenschwei- digkeit als dem langsamsten Vorgang bestimmt und ßung angeschweißt. Bei den der Erfindung zugrunde wird sehr klein sein. Außerdem werden die kleinen liegenden Untersuchungen sind zwei Autoklav- 20 Nährstoffpartikeln im Wege der auftretenden Konvekgrößen verwendet worden, nämlich erstens die so- tionsströmung hochgeschwemmt und wirken dann in genannten kurzen Autoklaven, deren Innenabmessun- der Wachstumszone als zusätzliche Zentren spontaner gen nach dem Auskleiden etwa 2,22 cm Durchmesser Keimbildung und als Ursache eines unregelmäßig er- und 6,98 cm Höhe betrugen, und zweitens die söge- folgenden Wachstumes der »Soll«-Keime. Mit zunehnannten langen Autoklaven, deren Dimensionen etwa 25 mender Korngröße des Nährstoffes wird die Zirkula-3,02 cm Durchmesser mal 17,5 cm Höhe betrugen. tion durch denselben erleichtert, wodurch die effek-Die Wandstärke betrug in beiden Fällen etwa tive Auflösungsoberfläche größer wird, so daß der 2,22 cm. Auflösungsvorgang nicht mehr wachstumsbestimmendand it is smooth, especially at the transition point 5 The bottom of the autoclave is used as a nutrient from the floor to the wall. A 0.0794 cm thick drainage filled with zinc oxide particles. Entering Hole (not shown) is in the bottom of the Ge the zinc oxide grain size on the growth rate incorporated. The lining is made out of strength and the perfection of the bred Kri-1,14 mm anode silver 'and with a stalle can mean surface size of the particles Sterling silver existing 1.91 mm thick flange io and convection flow in the vessel interpreted who-15 Mistake. The lining is under 72 hours. the. A small grain size creates a dense one At 400 ° C in a helium atmosphere, there is an intermediate packing in the autoclave and prevents a circulating ash glow deep drawn. During the drawing process, the solution passes through the nutrient. the Occurring material stresses and grain wax is effectively presented for a dissolution of the surface By using 15 in this borderline case, tumbling processes are equal to the cross-section of the car lubricant and by slowly pulling on a klavs. Under these conditions the crystal minimum becomes reduced. The flange 15 is attached to the outgrowth due to the size of the dissolving angle determined as the slowest process by means of helium shielding gas arc sweat and welded on. The basis of the invention will be very small. Also, the little ones lying investigations are two autoclave nutrient particles by way of the convex sizes that occur have been used, namely, firstly, the induction currents are swept up and then act in called short autoclaves, the inner dimensions of which the growth zone as additional centers more spontaneous germ formation after lining about 2.22 cm in diameter and as the cause of an irregular and 6.98 cm in height, and secondly, the subsequent growth of the "target" germs. With additional names long autoclave, the dimensions of which are about 25 mender grain size of the nutrient, the circular 3.02 cm in diameter by 17.5 cm in height. tion facilitated by the same, whereby the effec- die Wall thickness was in both cases about tive dissolution surface is larger, so that the 2.22 cm. Dissolution process no longer determines growth

Für das hydrothermale Wachstum geeignete Keime ist, mit der Folge, daß die Wachstumsgeschwindigkeit können mit Hilfe des aus der Schmelze erfolgenden 30 zunimmt. Gleichfalls werden die größeren Nährstoff-Züchtungsverfahrens erhalten werden, das in der partikeln nicht mehr so leicht hochgeschwemmt, und Zeitschrift »Journal of Physical Chemistry«, Vol. 64, die Möglichkeiten einer spontanen Keimbildung und 1960, S. 688, beschrieben ist. Die Keime sind an- unregelmäßigen Wachstums werden geringer. Aber nähernd 0,3 mm dick und etwa 10 X 10 mm groß. sehr grobkörniger Nährstoff bietet wiederum nur eine Die Bestandteile der Lösung sollten mindestens die 35 kleine wirksame Oberfläche dar, mit dem Ergebnis, für chemische Reagenzien geforderte Reinheit haben. daß der Auflösungsvorgang wiederum wachstumsbe-Der Ofen und die Steuereinrichtungen (nicht darge- stimmend wird, so daß die Wachstumsgeschwindigstellt) müssen so ausgelegt sein, daß eine ausreichende keit erneut sehr klein wird. Doch ungeachtet dieser Temperaturregelung aufrechterhalten werden kann allgemeinen Überlegungen ist die tatsächliche Nährund die Temperaturschwankungen innerhalb + 3° C 40 Stoffkorngröße nicht sonderlich kritisch. Die besten liegen. Die Temperaturen werden durch Thermo- Ergebnisse erhält man, wenn die Korngröße zwischen elemente gemessen, die an verschiedenen Stellen des 0,2 und 0,635 cm liegt.For the hydrothermal growth suitable germs, with the consequence that the growth rate can with the help of the 30 taking place from the melt increases. Likewise, the larger nutrient-breeding methods are used be obtained, which is no longer so easily flooded up in the particles, and journal "Journal of Physical Chemistry", Vol. 64, the possibilities of spontaneous nucleation and 1960, p. 688. The germs are on- irregular growth will be less. but approximately 0.3 mm thick and about 10 X 10 mm in size. very coarse-grained nutrients, on the other hand, only offer one The components of the solution should represent at least the 35 small effective surface area, with the result have the required purity for chemical reagents. that the dissolution process in turn slows growth Furnace and the control devices (not shown, so that the growth rate is set) must be designed in such a way that sufficient speed is again very small. But regardless of this Temperature control can be maintained general considerations is the actual nutrient and the temperature fluctuations within + 3 ° C 40 fabric grain size are not particularly critical. The best lie. The temperatures are obtained by thermal results if the grain size is between elements measured, which is at different points of the 0.2 and 0.635 cm.

Autoklavs angebracht sind. Der innere Teil des Auto- Wie vorstehend erwähnt, können die Kristallkeime klavs zeigt, wie dargestellt, die Anordnung der aus der Schmelze gezüchtet werden. Jedoch können Wachstumskeime 16 hinsichtlich der Nährstoffmenge 45 auch gleichfalls brauchbare Keime mittels des erfin-17. Ein Diaphragma 18 trennt die Wachstumszone dungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. In von der Nährstoffzone und dient zur Aufrechterhai- jedem Fall wurde es als vorteilhaft und wichtig betung eines Temperaturgradienten hierzwischen. Das funden, daß die Oberflächeneigenschaften der Kri-Diaphragma soll aber einen Fluß der zinkoxydreichen stallkeime wesentlich für die Qualität der hieraus ge-Lösung in die Wachstumszone gestatten. Das Dia- 50 züchteten Kristalle sind. Ein vorausgehendes Ätzen phragma hat hierzu Durchtrittsöffnungen, deren der Kristallkeime, mit dessen Hilfe Oberflächenbe-Querschnitt vorzugsweise 2 bis 20°/o des Gesamt- Schädigungen und Oberflächenunregelmäßigkeiten querschnittes beträgt. Ein vorteilhafter Diaphragma- entfernt werden können, ist besonders wirkungsvoll, aufbau weist 5°/o Durchtrittsquerschnitt auf, wobei Um praktisch eine brauchbare Wachstumsgedie eine Hälfte durch eine Mittelöffnung und die 55 schwindigkeit zu erzielen, ist es notwendig, den Autoandere Hälfte durch die am Umfang verteilten Öff- klav mindestens zu 6O°/o seines Gesamtvolumens bei nungen gebildet wird. Die Kristallkeime werden an Zimmertemperatur aufzufüllen. Mit zunehmendem einem Silberdraht 19 aufgehängt. Füllungsgrad nimmt die WachstumsgeschwindigkeitAre attached to the autoclave. The inner part of the car As mentioned above, the seed crystals can klavs shows, as shown, the arrangement of the grown from the melt. However, you can Growth germs 16, with regard to the amount of nutrients 45, also germs that can be used by means of the invented 17. A diaphragm 18 separates the growth zone according to the method. In of the nutrient zone and serves to maintain it- in any case it has been considered beneficial and important a temperature gradient in between. That found that the surface properties of the Kri diaphragm but should a flow of zinc oxide-rich stall germs essential for the quality of the resulting ge solution allow in the growth zone. The dia- 50 are grown crystals. A previous etching phragma has for this purpose passage openings, whose the crystal nuclei, with the help of which surface cross-section preferably 2 to 20% of the total damage and surface irregularities cross section is. An advantageous diaphragm can be removed is particularly effective, structure has 5% passage cross-section, with order practically a useful growth To achieve a half through a central opening and the 55 speed it is necessary to change the car Half by the open clav distributed around the circumference at least to 60 per cent of its total volume is formed. The seed crystals will replenish at room temperature. With increasing suspended from a silver wire 19. The degree of filling increases the rate of growth

Die hydrothermale Lösung 20, die den Autoklav zu. Vorteilhafterweise wird mit einem FüllungsgradThe hydrothermal solution 20, which the autoclave too. Advantageously, one degree of filling is used

bei der Betriebstemperatur ausfüllt, besteht aus einer 60 von 70 bis 9O°/o gearbeitet.Fills at the operating temperature, consists of a 60 worked from 70 to 9O%.

Lösung von 2- bis 8molarem Alkali- oder Erdalkali- Für das in der richtigen Weise erfolgende Wachsmetallhydroxyd und Lithiumionen, die in einer 0,1- turn ist es wesentlich, einen Temperaturgradienten bis 4,0molaren Konzentration vorhanden sind. Ge- zwischen der Nährstoffzone und der Kristallwachseignete Alkali- und Erdalkaliverbindungen sind tumszone innerhalb der Lösung aufrechtzuerhalten. NaOH, KOH, CsOH, RbOH, Sr(OH),, Ba(OH)2 und 65 Dieser Faktor ist wesentlich bestimmend für die Mischungen derselben. Ausreichend lösliche Lithium- Wachstumsgeschwindigkeit. Ein zu kleiner Temperaverbindungen sind zum Erzeugen der gewünschten turgradient führt zu unwirtschaftlich kleinen Wachs-Lifhiumionenkonzentration geeignet. Besonders ge- tumsgeschwindigkeiten. Wird der TemperaturgradientSolution of 2 to 8 molar alkali or alkaline earth For the correctly occurring wax metal hydroxide and lithium ions, which in a 0.1 turn it is essential, a temperature gradient of up to 4.0 molar concentration is present. Suitable alkali and alkaline earth compounds between the nutrient zone and the crystal wax are to be maintained within the solution. NaOH, KOH, CsOH, RbOH, Sr (OH), Ba (OH) 2 and 65. This factor is essential for the mixtures of these. Sufficiently soluble lithium growth rate. If the temperature compounds are too small, they are suitable for generating the desired temperature gradient, which leads to uneconomically low wax / lithium ion concentrations. Especially fantastic speeds. Becomes the temperature gradient

erhöht, so nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit zu, zugleich aber auch die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten, an den Wänden des Autoklavs erfolgenden spontanen Keimbildung. Außerdem beginnt hierbei auch ein unregelmäßiges Kristallwachstum. Desgleichen besteht die Neigung bei sehr hohen Wachstumsgeschwindigkeiten, daß das Kristallwachstum in nicht erwünschtes dendritisches Wachstum umschlägt.increases, the rate of growth increases, but at the same time the probability of an undesired occurrence on the walls of the autoclave increases spontaneous nucleation. In addition, irregular crystal growth also begins here. Likewise, at very high growth rates, there is a tendency for crystal growth turns into undesired dendritic growth.

Ferner ist es dienlich, große Temperaturdifferenzen zwischen der Nährstoffzone und den Wänden des Autoklavs zu vermeiden. Dies wird erreicht durch einen langsam erfolgenden Anstieg der Temperatur auf die Betriebstemperatur. Im allgemeinen werden etwa einige Stunden bis einige Tage benötigt, um die Betriebsbedingungen zu erhalten. Die besten Resultate werden erhalten, wenn der Autoklav auf eine Temperatur erhitzt wird, die sich dem Betriebszustand mit einer kleinen Temperaturdifferenz annähert und die die gewünschte Temperaturdifferenz bei oder in der Umgebung der Betriebstemperatur erzeugt. Es wird als zweckmäßig erachtet, den Temperaturgradienten während der Aufheizperiode unterhalb 25° C zu halten.It is also useful to detect large temperature differences between the nutrient zone and the walls of the Avoid using an autoclave. This is achieved by slowly increasing the temperature on the operating temperature. It generally takes from a few hours to a few days to complete the To maintain operating conditions. The best results are obtained when the autoclave is on a Temperature is heated, which approximates the operating state with a small temperature difference and which generates the desired temperature difference at or in the vicinity of the operating temperature. It is considered to be useful, the temperature gradient during the heating period below 25 ° C to keep.

Brauchbare Wachstumsgeschwindigkeiten und gute Kristallqualitäten werden erhalten, wenn Temperaturgradienten zwischen 5 und 100° C verwendet werden. Besonders gute Ergebnisse werden mit zwischen 5 und 25° C liegenden Temperaturgradienten erhalten. Diese Differenz bezieht sich auf die Betriebstemperatur der Wachstumszone, die vorteilhafterweise zwischen 300 und 4000C gehalten wird. Die Extremwerte dieses Bereiches werden einmal durch praktisch nicht brauchbare Wachstumsgeschwindigkeiten auf der kühleren Seite bestimmt, während bei oberhalb 400° C liegenden Temperaturen übermäßig hohe Drücke (bei Verwendung des vorstehend erwähnten Füllungsgrades) entstehen, die nutzlos sind, da bei der Reaktion kein thermodynamisches Maximum existiert.Usable growth rates and good crystal qualities are obtained when temperature gradients between 5 and 100 ° C are used. Particularly good results are obtained with temperature gradients between 5 and 25 ° C. This difference relates to the operating temperature is advantageously maintained between 300 and 400 0 C the growth zone. The extreme values of this range are determined by practically unusable growth rates on the cooler side, while temperatures above 400 ° C result in excessively high pressures (when using the above-mentioned degree of filling), which are useless since there is no thermodynamic maximum in the reaction .

Der innerhalb des Autoklavs herrschende Druck wird vom gewählten Füllunggrad und von der herrschenden Temperatur bestimmt. Als vorteilhafter Druckbereich wird ein zwischen 225 und 562 kg/qcm liegender Druck angesehen. Die obere Grenze wird unter anderem durch die höchst zulässige Druckbelastung des Autoklavs bestimmt, der im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen verwendet worden ist. Höhere Drücke können jedoch bei verbesserten Autoklavausführungen angewendet werden. Die untere Druckgrenze fällt im wesentlichen mit dem kritischen Druck der Lösung zusammen, der bekannterweise überschritten werden sollte.The pressure prevailing inside the autoclave depends on the filling level selected and the prevailing pressure Temperature determined. An advantageous pressure range is between 225 and 562 kg / qcm lying pressure viewed. The upper limit is determined, among other things, by the maximum permissible pressure load of the autoclave that was used in the course of the investigations carried out is. However, higher pressures can be used in improved autoclave designs. the lower pressure limit essentially coincides with the critical pressure of the solution, which is known should be exceeded.

Im folgenden ist die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Zinkoxydkristallzüchtung an Hand einiger Beispiele beschrieben.The following is the zinc oxide crystal growth performed in accordance with the method of the present invention described using a few examples.

Beispiel IExample I.

Der Autoklav wurde mit einer 6molaren KOH- und O.lmolaren LiF-Lösung beschickt. Die Menge der Lösung war ausreichend, um das Gesamtvolumen des Autoklavs bei Zimmertemperatur, ausgenommen das Volumen des Kristallkeimes und des Nährstoffes, auf 83% aufzufüllen. Die Kristallkeime waren 0,05 mm dick und wiesen (0001)- und (OOOT)-Kristallflächen auf. Die Kristallkeime wurden im oberen Bereich des Autoklavs, wie dargestellt, an einem Silberdraht aufgehängt. Als Nährstoffmaterial wurde gesintertes rekristallisiertes Zinkoxyd verwendet. Die Nährstoff korngiöße war größer als 0,2 cm, aber kleiner als 0,635 cm. Der Autoklav wurde verschlossen und langsam auf 353° C erwärmt. Das verwendete Diaphragma hatte einen Durchtrittsquerschnitt von 5% und ermöglichte, einen zwischen der Wachstums- und Nährstoffzone vorhandenen Temperaturgradienten von 15° C aufrechtzuhalten. Das Kristallwachstum wurde über 30 Tage hinweg durchgeführt. Am SchlußThe autoclave was charged with a 6 molar KOH and O.lmolar LiF solution. The amount the solution was sufficient to save the total volume of the autoclave at room temperature the volume of the seed crystal and nutrient to make up 83%. The crystal seeds were 0.05 mm thick and had (0001) and (OOOT) crystal faces on. The crystal seeds were attached to a silver wire in the upper area of the autoclave, as shown hung up. Sintered recrystallized zinc oxide was used as the nutrient material. The nutrient The grain size was larger than 0.2 cm but smaller than 0.635 cm. The autoclave was closed and slowly warmed to 353 ° C. The diaphragm used had a passage cross section of 5% and enabled a temperature gradient to exist between the growth and nutrient zones of 15 ° C. The crystal growth was carried out for 30 days. At the end

ίο der Züchtungsperiode wurden Kristalle erhalten, deren Qualität außerordentlich gut war und deren Größe im Durchschnitt 0.797 cm betrug. Hieraus ergibt sich eine Wachstumsgeschwindigkeit von 0,264 mm pro Tag. Diese Kristalle sind für eine Anwendung in piezoelektrischen Wandlern geeignet.ίο the growth period crystals were obtained, whose quality was extremely good and whose size averaged 0.797 cm. From this it follows a growth rate of 0.264 mm per day. These crystals are for one application suitable in piezoelectric transducers.

Beispiel IIExample II

Das Beispiel I wurde wiederholt, jedoch mit einer geringeren Lithiumionenkonzentration. Der Autoklav wurde hierzu mit einer 6,4molaren KOH- und 0,01molaren Lithium-Fluoridlösung beschickt und auf 83% des Fassungsvermögens aufgefüllt. Der Autoklav wurde verschlossen und die Temperatur langsam auf 353° C erhöht. Ein Temperaturgradient von 15°C wurde zwischen Wachstums- und Nährstoffzone aufrechterhalten. Unter diesen Bedingungen war die Wachstumsgeschwindigkeit ziemlich groß, und die so erhaltenen Kristalle zeigten einen stark gestörten Aufbau und waren denen des Beispieles I weit unterlegen. Da bei dem Beispiel II praktisch nur eine Variable geändert worden war, sind diese Ergebnisse die Folge einer in der Wachstumslösung vorhandenen kleineren und nicht ausreichenden Lithiumionenkonzentration. Daher wird es als wesentlich betrachtet, daß die Lithiumionenkonzentration bei Arbeitsbedingungen mindestens 0,1 molar ist.Example I was repeated, but with a lower lithium ion concentration. The autoclave was charged with a 6.4 molar KOH and 0.01 molar lithium fluoride solution and Filled up to 83% of the capacity. The autoclave was closed and the temperature slowly increased to 353 ° C. A temperature gradient of 15 ° C was created between the growth and nutrient zones maintain. Under these conditions the growth rate was quite fast, and the crystals thus obtained showed a highly disturbed structure and were similar to those of Example I inferior. Since practically only one variable was changed in Example II, these results are the consequence of a smaller and insufficient lithium ion concentration present in the growth solution. Therefore, it is considered essential that the lithium ion concentration under working conditions is at least 0.1 molar.

Beispiel IIIExample III

Das Beispiel I wurde wiederholt bei Verwendung eines Temperaturgradienten von 140C und einer hydrothermalen Lösung aus 6,4molarem KOH und 0,3molarem LiF. Die beobachtete Wachstumsgeschwindigkeit betrug 0,228 mm pro Tag, und die Kristallqualität blieb ausgezeichnet.Example I was repeated using a temperature gradient of 14 0 C and a hydrothermal solution of KOH and 6,4molarem 0,3molarem LiF. The observed growth rate was 0.228 mm per day and the crystal quality remained excellent.

Beispiel IVExample IV

Die Züchtungsbedingungen des Beispiels III wurden bei Verwendung einer 6,4molaren KOH- und 0,2molaren LiOH-Lösung eingehalten. Die Ergebnisse waren praktisch die gleichen.The cultivation conditions of Example III were carried out using a 6.4 molar KOH and 0.2 molar LiOH solution complied with. The results were practically the same.

Beispiel VExample V

Bei diesem Beispiel wurde der Autoklav auf 85 % seines Fassungsvermögens gefüllt, und zwar mit einer 6,4molaren KOH- und 0,3molaren LiOH-Lösung. Die Züchtungstemperatur betrug 3400C und die Temperaturdifferenz 80C. Die unter diesen Bedingungen beobachtete Wachstumsgeschwindigkeit war 0,400 mm pro Tag, und die erhaltenen Kristalle hatten wiederum hohe Qualität.In this example, the autoclave was filled to 85% of its capacity with a 6.4 molar KOH and 0.3 molar LiOH solution. The growth temperature was 340 ° C. and the temperature difference was 8 ° C. The growth rate observed under these conditions was 0.400 mm per day, and the crystals obtained were again of high quality.

Beispiel VIExample VI

Das Beispiel V wurde unter Weglassen des Lithiumzusatzes wiederholt. Die hierbei erhaltenen Kristalle waren stark gestört und für praktische Verwendungszwecke nicht brauchbar.Example V was repeated omitting the addition of lithium. The crystals thus obtained were severely disturbed and of no practical use.

Beispiel VIIExample VII

Bei diesem Beispiel wurden wiederum die Wachstumsbedingungen des Beispiels V mit der Ausnahme gewählt, daß der Lithiumzusatz in Form von 0,9-molarem LiOH zugegeben wurde. Die hierbei erhaltenen Kristalle hatten eine hohe Qualität, aber die beobachtete Wachstumsgeschwindigkeit war kleiner.In this example, the growth conditions of Example V were again with the exception chosen that the lithium additive was added in the form of 0.9 molar LiOH. The Crystals were of high quality, but the observed rate of growth was slower.

Beispiel VIIIExample VIII

Bei 85%iger Füllung wurde eine Lösung aus 6,4-molarem KOH und 0,2molarem Li2B4O7 verwendet. Die Züchtungstemperatur betrug 3400C und die Nährstofftemperatur 327° C. Wieder hatten die so gezüchteten Kristalle ausgezeichnete Qualität. Die Wachstumsgeschwindigkeit betrug 0,233 mm pro Tag.At 85% filling, a solution of 6.4 molar KOH and 0.2 molar Li 2 B 4 O 7 was used. The growth temperature was 340 0 C and the nutrient temperature 327 ° C. Again, had the thus-grown crystals excellent quality. The rate of growth was 0.233 mm per day.

Beispiel IXExample IX

Das Beispiel I wurde wiederholt. Aber diesmal wurde NaOH anstatt KOH verwendet. Es wurden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erhalten.Example I was repeated. But this time NaOH was used instead of KOH. There were in obtained essentially the same results.

Beispiel XExample X

Zur Bestimmung, wieviel Lithiumionen mit dem gewollten Ergebnis verträglich sind, wurde ein Versuch entsprechend den Bedingungen des Beispiels V durchgeführt, mit der Ausnahme, daß Lithium in 4molarer Konzentration vorgelegen hat. Es wurden im wesentlichen die gleichen Kristalle erhalten, wie sie im Beispiel VII erhalten worden sind. Die Wachstumsgeschwindigkeit war aber etwas geringer.An experiment was carried out to determine how much lithium ions are compatible with the desired result carried out according to the conditions of Example V, with the exception that lithium in 4 molar concentration. Essentially the same crystals as they have been obtained in Example VII. However, the growth rate was somewhat slower.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zum Züchten von Zinkoxyd-Einkristallen aus einer ein Metallhydroxyd enthaltenden hydrothermalen, stark basischen Lösung durch1. A method for growing zinc oxide single crystals from a metal hydroxide containing one hydrothermal, strongly basic solution ίο Eintauchen eines Zinkoxydkristallkeimes bei einem Druck von mindestens 225 kg/qcm und einer Temperatur von mindestens 300° C, wobei zwischen der Umgebung des Kristallkeimes und derjenigen des Zinkoxydbodensatzes eine Temperaturdifferenz zwischen 5 und 10O0C aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrothermalen, OH-Ionen in einer 2- bis 8molaren Konzentration enthaltenden Lösung Lithiumionen in einer molaren Konzentration zwischen 0,1 und 4,0 zugegeben werden.ίο immersion of a zinc oxide crystal nucleus at a pressure of at least 225 kg / qcm and a temperature of at least 300 ° C, with a temperature difference between 5 and 10O 0 C being maintained between the environment of the crystal nucleus and that of the zinc oxide sediment, characterized in that the hydrothermal, OH ions in a solution containing 2 to 8 molar concentration, lithium ions are added in a molar concentration between 0.1 and 4.0. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß LiF, LiOH oder LiB4O7 zugegeben wird.2. The method according to claim 1, characterized in that LiF, LiOH or LiB 4 O 7 is added. as In Betracht gezogene Druckschriften:as Considered publications: Journal of Physical Chemistry, Vol.64 (1960). Bd. 1, S. 689.Journal of Physical Chemistry, Vol 64 (1960). Vol. 1, p. 689. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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