FR2526449A1 - Procede et dispositif de fabrication d'un monocristal, exempt de toute contrainte, d'un compose ferroelectrique a structure cristalline - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION D'UN MONOCRISTAL, EXEMPT DE TOUTE CONTRAINTE, D'UN COMPOSE FERROELECTRIQUE A STRUCTURE CRISTALLINE. CE DISPOSITIF COMPREND DES MOYENS 2 D'ELABORATION D'UN MONOCRISTAL 16 DU COMPOSE ET DES MOYENS 3 DE CHAUFFAGE AYANT UNE ZONE 20 DE CHAUFFE HOMOGENE, PLACES DANS LE PROLONGEMENT DES MOYENS D'ELABORATION, CES MOYENS DE CHAUFFAGE ETANT PREVUS POUR EFFECTUER UN RECUIT DU MONOCRISTAL IMMEDIATEMENT APRES SON ELABORATION, DANS UN GRADIENT DE TEMPERATURE NUL ET A UNE TEMPERATURE CORRESPONDANT AU DOMAINE DE PLASTICITE DU COMPOSE FERROELECTRIQUE ET INFERIEURE A LA TEMPERATURE DE FUSION DE CE COMPOSE, ET POUR REFROIDIR CE MONOCRISTAL DANS UN GRADIENT LONGITUDINAL DE TEMPERATURE NULLE, APRES LE RECUIT. APPLICATION A LA FABRICATION D'UN MONOCRISTAL DE NIOBATE DE LITHIUM EXEMPT DE TOUTE CONTRAINTE.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de fabrication

d'un monocristal, exempt de toute contrainte, d'un composé ferroélectrique à structure cristalline Elle s'applique notamment à la fabrication de monocristaux de niobate de lithium

Li Nb O 3 exempts de toute contrainte, par exemple em-

ployés dans la réalisation de filtres à ondes de S urfa-

ce, de modulateurs et d'amplificateurs optiques.

Les procédés et les dispositifs connus pour-

la fabrication de monocristaux de composés ferroélec-

triques à structure cristalline présentent l'inconvé-

nient de produire, en ce qui concerne certains composés ferroélectriques, notamment le niobate de lithium, des

monocristaux pourvus de contraintes internes généra-

trices de cassures, la probabilité de formation de cas-

sures augmentant avec la longueur des monocristaux.

La présente invention a justement pour objet

un procédé et un dispositif de fabrication d'un mono-

cristal d'un composé ferroélentrique à structure cris-

talline, qui ne présentent pas cet inconvénient et qui permettent d'obtenir des monocristaux exempts de toute contrainte, et ce, quelles que soient leurs dimensions, en particulier des monocristaux non cassés de grande

longueur, de l'ordre de 250 à 300 mm par exemple.

De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un monocristal,

exempt de toute contrainte, d'un composé ferroélectri-

que à structure cristalline, caractérisé en ce qu'il consiste:

à élaborer un monocristal dudit composé ferroélectri-

que, à effectuer un recuit de ce monocristal immédiatement

après l'élaboration de celui-ci, ce recuit étant ef-

fectué dans un gradient de température nul, à une température correspondant au domaine de plasticité du

composé férroélectrique et inférieure à la tempéra-

ture de fusion de ce composé ferroélectriqueet enfin

à réaliser un refroidissement de ce monocristal cons-

tamment maintenu dans un gradient longitudinal de

température nul.

Le refroidissement s'effectue dans un gra-

dient longitudinal de température nul et dans un gra-

dient radial de température le plus faible possible.

Par ailleurs, on sait que les composés ferro-

électriques admettent une température de transition, appelée température de Curie et notée TC, en deçà de

laquelle ils sont effectivement ferroélectriques et au-

delà de laquelle ils deviennent paraélectriques.

Dans le cas du niobate de lithium, le recuit du monocristal de niobate de lithium est effectué à une température de recuit TR comprise entre la température

de Curie TC, déterminée pour le monocristal ferroélec-

trique considéré, et la température de fusion'TF du monocristal. L'obtention d'un monocristal exempt de toute

contrainte résulte principalement du fait que le recuit-

du monocristal est effectué dans un gradient de tempé-

rature nuletquele refroidissement du monocristal est réalisé dans un gradient longitudinal de température nul.

Le refroidissement dans un gradient-longitu-

dinal de température nul est bien entendu réalisé jusqu'à ce que le monocristal atteigne la température ambiante. Les opérations d'élaboration, de recuit et de refroidissement du monocristal peuvent être effectuées

sous air ou dans une atmosphère de gaz rare, à la pres-

sion atmosphérique.

Selon une caractéristique particulière du procédé objet de l'invention, le monocristal est recuit dans une zone de température homogène située dans le prolongement des moyens prévus pour l'élaboration de ce

monocristal, de façon que ce dernier puisse passer di-

rectement, en un minimum de temps, des moyens prévus

pour son élaboration à la zone de température homogène.

Le passage d'une zone à l'autre est par exemple effec-

tué par translation. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, le monocristal est

élaboré par la méthode dite de CZOCHRALSKI, c'est-à-

dire par tirage, à partir d'un bain fondu de ce composé

ferroélectrique, puis monté dans une zone de températu-

re homogène égale à la température de recuit, pour y subir ce recuit puis ledit refroidissement, cette zone étant située à la verticale dudit bain Le monocristal

est animé d'un mouvement de rotation pendant son élabo-

ration, cette rotation et le tirage étant effectués

selon un même axe vertical.

Par ailleurs, ladite zone de température ho-

mogène peut être, préalablement au recuit, portée pro-

gressivement à la température de recuit, pendant l'éla-

boration du monocristal.

Selon un autre mode de mise en oeuvre parti-

culier du procédé objet de l'invention, le monocristal est élaboré par la méthode dite du résistor plan, c'est-à-dire élaboré en plaçant une extrémité d'un barreau de ce composé ferroélectrique et une extrémité

d'un germe monocristallin dudit composé ferroélectri-

que au voisinage et de part et d'autre d'une résistance électrique plane et percée, maintenue à une température au moins égale à la température de fusion du composé ferroélectrique, de façon à relier le barreau et le germe par une zone fondue du composé ferroélectrique, et en faisant se déplacer cette zone fondue le long

dudit barreau, à partir de ladite extrémité de celui-

ci, par déplacement du barreau vers la résistance, le germe étant simultanément éloigné de cette résistance, et le monocristal ainsi élaboré est soumis audit recuit puis audit refroidissement dans une zone de température

homogène située dans le prolongement de la dite résis-

tance et du même côté de cette résistance que ledit germe. Selon une caractéristique particulière de l'invention, dans cet autre mode de mise en oeuvre, le barreau et le germe sont déplacés suivant un même axe vertical, pendant l'élaboration du monocristal et la

résistance est perpendiculaire à cet axe vertical.

Selon une autre caractéristique particuliè-

re, le barreau et le germe sont en outre animés d'un mouvement de rotation dont l'axe est ledit même axe

vertical, pendant l'élaboration du monocristal.

Selon une autre caractéristique particuliè-

re, pendant l'élaboration du monocristal, le barreau et le monocristal en cours d'élaboration sont maintenus à une température inférieure à la température de fusion

du composé ferroélectrique et voisine de cette tempéra-

ture de fusion.

Selon une autre caractéristique particulière

du procédé objet de l'invention, le composé ferroélec-

trique est le niobate de lithium et le recuit du mono-

cristal est effectué à une température supérieure à sa

température de Curie, soit environ 1150 WC, et infé-

rieure à la température de fusion du niobate de li-

thium. On peut alors par exemple effectuer ce recuit à une température au moins égale à 12000 C et inférieure

à 1250 'C.

L'invention a également pour objet un dispo-

sitif de fabrication d'un monocristal, exempt de toute contrainte, d'un composé ferroélectrique à structure cristalline, caractérisé en ce qu'il comprend:

des moyens d'élaboration d'un monocristal dudit com-

posé ferroélectrique, et des moyens de chauffage ayant une zone de température homogène, placés dans le prolongement des moyens d'élaboration, ces moyens de chauffage étant prévus, d'une part, pour effectuer un recuit du monocristal immédiatement après l'élaboration de celui-ci, dans un gradient de température nul et à une température correspondant au domaine de plasticité du composé ferroélectrique et inférieure à la température de fusion de ce composé ferroélectrique et, d'autre

part, pour effectuer un refroidissement de ce mono-

cristal dans un gradient longitudinal de température

nul, après ledit recuit.

Selon un mode de réalisation particulier du

dispositif objet de l'invention, les moyens d'élabora-

tion du monocristal comportent un premier four vertical muni d'un creuset prévu pour y fondre ledit composé ferroélectrique, les moyens de chauffage comportent un deuxième four vertical ayant une zone de température homogène, placé au-dessus duditpremierforet, communiquant avec celui-ci, lesdits fours et creuset étant en outre disposés selon un même axe vertical, et lesdits fours

sont pourvus, en leur intérieur, d'un moyen de déplace-

ment selon ledit axe vertical, prévu pour élaborer le

monocristal par tirage, à partir du composé ferroélec-

trique, une fois celui-ci fondu dans le creuset, et pour monter le monocristal, lorsqu'il est élaboré, dans la zone de température homogène afin qu'il y subisse

ledit recuit puis ledit refroidissement.

Selon un autre mode de réalisation particu-

lier, les moyens d'élaboration du monocristal compor-

tent un premier four vertical et une résistance élec-

trique plane, horizontale et percée, prévue pour être

portée à une température au moins égale à la tempéra-

ture de fusion du composé ferroélectrique, les moyens de chauffage comportent un deuxième four vertical pourvu d'une zone de température homogène, lesdits fours débouchent l'un sur l'autre, ladite résistance électrique est interposée entre eux, lesdits fours sont

disposés suivant un même axe vertical et sont respecti-

vement pourvus, en leurs intérieurs, d'un premier et

d'un second moyens de déplacement selon-ledit axe ver-

tical, le premier moyen est prévu pour déplacer un bar-

reau du composé ferroélectrique en direction de la ré-

sistance et le second moyen est prévu pour éloigner de cette résistance un germe monocristallin de ce composé ferroélectrique, à partir d'une position o ce barreau

et ce germe, situés de part et d'autre de la résistan-

ce, ont chacun une extrémité au voisinage de cette ré-

sistance, de façon à relier, grâce à ladite résistance,

le barreau et le germe par une zone fondue dudit compo-

sé ferroélectrique et à faire se déplacer cette zone

fondue le long dudit barreau, pour élaborer le mono-

cristal et amener ce dernier dans la zone de températu-

re homogène dudit deuxième four afin qu'il y subisse

ledit recuit puis ledit refroidissement.

Les divers modes de réalisation particuliers décrits comportent un seul moyen d'élaboration associé

à un seul moyen de chauffage On pourrait aussi envisa-

ger un seul moyen d'élaboration associé à une pluralité

de moyens de chauffage disposés en couronne par exem-

ple Après élaboration d'un monocristal et mise en pla-

ce de celui-ci dans un moyen de chauffage, on ferait alors tourner la couronne des moyens de chauffage afin d'amener un nouveau moyen de chauffage dans l'axe du

moyen d'élaboration.

L'invention sera mieux comprise à la lecture

de la description qui suit d'exemples de réalisation

donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention; la figure 2 est une vue schématique d'un

autre mode de réalisation particulier du dispositif ob-

jet de l'invention, et

les figures 3 A à 3 E sont des vues schémati-

ques des différentes étapes d'élaboration d'un mono- cristal par la méthode dite du résistor plan, dans cet

autre mode de réalisation particulier.

A titre d'exemple, le composé ferroélectri-

que&considéré par la suite est le niobate de lithium.

Sur la figure 1, on a représenté schématique-

ment un mode de réalisation particulier du dispositif

objet de l'invention, permettant de fabriquer des mono-

cristaux de niobate de lithium exempts de toute con-

trainte Il comprend des moyens 2 d'élaboration d'un monocristal de niobate de lithium et des moyens 3 de

chauffage Les moyens 2 d'élaboration comportent essen-

tiellement, dans une enceinte 4, un four 5 vertical que l'on peut appeler premier four et dont on a représenté les enroulements électriquement conducteurs 6 sur la figure 1 Dans ce four 5 est placé un creuset 7 rempli de niobate de lithium Ce creuset est maintenu par un

support 8 Les moyens 3 de chauffage comportent essen-

tiellement un autre four 9 vertical que l'on peut appe-

ler deuxième four, composé, de façon connue, d'un tube

10 fait par exemple d'oxyde réfractaire (alumine, zir-

cone) et entouré par des enroulements électriquement conducteurs 11 Le four 5, le creuset 7 et l'autre four 9 sont disposés selon un même axe vertical Z'Z De plus, cet autre four 9 communique avec l'enceinte 4 grâce à une ouverture 13 d'axe Z'Z, pratiquée dans l'enceinte Le four 5 et l'autre four 9 sont pourvus,

en leur intérieur 12, d'un moyen de déplacement consti-

tué par une tige 14 d'axe Z'Z, cette tige étant apte à monter ou descendre suivant l'axe Z'Z et à tourner sur elle-même tout en montant ou en descendant Cette tige

14 est commandée par un système 15 de translation-rota-

tion connu dans l'état de la technique et disposé au-

dessus de l'autre four 9 -

Le procédé selon l'invention, mis en oeuvre dans le dispositif précédemment décrit, va maintenant être expliqué: dans un premier temps, un monocristal 16 de niobate de lithium sensiblement cylindrique est élaboré par la méthode de CZOCHRALSKI Pour ce faire, le niobate de lithium contenu dans le creuset 7 est porté, grâce au four 5, à sa température de fusion TF

égale à 12500 C, de manière à former un bain fondu 17.

La tige 14 est pourvue en son extrémité 18 située en regard du creuset 7, d'un germe monocristallin 19 de niobate de lithium Le germe 19 est orienté suivant une

direction cristallographique déterminée, rendue paral-

lèle à l'axe Z'Z La tige 14 est alors descendue de manière que le germe 19 soit au contact du bain 17 de niobate de lithium fondu, contenu dans le creuset 7 (phase I de la figure 1) puis lentement remontée vers le haut tout en étant animée d'un mouvement de rotation

sur elle-même: le monocristal 16 est ainsi formé pro-

gressivement au bout de la tige 14 (ce que l'on a re-

présenté par une phase intermédiaire II sur la figure

1), jusqu'à ce qu'il soit complètement élaboré.

Dans un deuxième temps, le monocristal 16, dès l'achèvement de son élaboration, est monté dans une zone 20 de température homogène, ou zone de chauffe homogène, dont est pourvu l'autre four 9, pour y subir un recuit à une température TR telle que

1200 WC TR Z 1250 VC

La zone 20 de chauffe homogène est progressivement por-

tée à la température de recuit TR pendant l'élaboration

du monocristal 16.

Toutes les parties du monocristal 16 situées

dans cette zone 20 sont donc à la même température TR.

On a d'ailleurs traduit ceci sur la figure 1, à l'aide

d'un graphique montrant les variations de la températu-

re T à l'intérieur du dispositif selon l'invention, en fonction de l'altitude considérée, comptée sur l'axe

Z'Z orienté vers le haut et muni d'une origine O cor-

respondant au fond 21 du creuset 7 La température gar-

de une valeur constante T F dans ce creuset puis diminue pour remonter jusqu'à la température TR au voisinage de la zone 20 de chauffe homogène, zone dans laquelle elle

est constante et égale à cette température TR (Dans.

cette zone est donc établi un gradient de température d T/d Z nul) Enfin, la température diminue au-dessus de

cette zone 20 La durée du recuit est fonction du dia-

mètre du monocristal.

Dans un troisième temps, lorsque le recuit du monocristal 16 est terminé, la température de la zone 20 de chauffe homogène est lentement et uniformément abaissée jusqu'à la température ambiante (environ C), le monocristal 16 étant ainsi refroidi dans un gradient de température qui demeure nul dans le sens longitudinal pendant toute la durée du refroidissement

du monocristal.

On a indiqué plus haut que la condition du gradient de température nul pendant le recuit et le refroidissement est essentielle pour l'obtention d'un monocristal exempt de toute contrainte C'est donc la

longueur de la zone 20 de chauffe homogène qui détermi-

ne la longueur de monocristal, exempte de toute con-

trainte, finalement obtenue Il suffit donc d'utiliser un autre four 9, ou four de post-chauffage, ayant une zone 20 de chauffe homogène de longueur au moins égale à la longueur du monocristal 16, pour que ce dernier soit entièrement exempt de toute contrainte, une fois

fabriqué par le procédé que l'on vient de décrire.

A titre explicatif et non limitatif, on peut se placer dans les conditions expérimentales suivantes, pour fabriquer un monocristal de niobate de lithium exempt de toute contrainte, à l'aide du dispositif de la figure 1 précédemment décrite:

Opération 1: fusion d'une charge de niobate de li-

thium de 2,8 kg dans un creuset 7 en platine, de mm de diamètre et de 110 mm de hauteur, placé

dans un four 5 résistif.

Opération 2: simultanément à l'opération 1, montée

en température du four de post-chauffage 9.

Opération 3: tirage, à la vitesse de cristallisation de 5 mm/heure et avec une vitesse de rotation selon l'axe Z'Z d'environ 12 tours/mn, d'un monocristal de

niobate de lithium dans la direction cristallographi-

que z (Le germe 19 est orienté de telle façon que

ses directions cristallographiques < 001 > soient pa-

rallèles à l'axe vertical Z'Z) Le monocristal obtenu

a un poids d'environ 2 kg, un diamètre qui varie en-

tre 48 et 50 mm et une longueur d'environ 230 mm.

Opération 4: en cours de tirage, montée en tempéra-

ture du four de post-chauffage 9, à raison de

C/heure, jusqu'à ce que la zone 20 de chauffe ho-

mogène soit à une température T égale à R

1215 C + 5 "C.

Opération 5: le tirage étant terminé, montée du mo-

nocristal, à la vitesse de 30 mm/heure, dans la zone de température homogène du four de post-chauffage 9, la longueur de cettezone homogène étant d'environ

250 mm.

Opération 6: recuit du monocristal pendant 12 heu-

res, à la température TR.

Opération 7: descente en température du four de post-chauffage 9, à raison de 30 C/heure, jusqu'à ce que la zone 20 de chauffe homogène soit à température ambiante. L'enceinte 4 est par exemple une enceinte ouverte et il en est de même pour le four de post-chauffage, de sorte que toutes les opérations précédentes sont effectuées

sous air, à la pression atmosphérique.

Toujours à titre indicatif et non limitatif,

on peut se placer dans les autres conditions expérimen-

tales suivantes, pour fabriquer un monocristal-de nio bate de lithium exempt de toute contrainte, toujours à l'aide du dispositif de la figure 1:

Opération 1: fusion d'une charge de niobate de li-

thium de 4 kg dans un creuset 7 en platine, de 120 mm de diamètre et de 120 mm de hauteur, placé dans un

four 5 à haute fréquence.

Opération 2: simultanément à l'opération 1, montée

en température du four de post-chauffage 9.

Opération 3: tirage, à la vitesse de cristallisation de 5 mm/heure et avec une vitesse de rotation selon l'axe Z'Z d'environ 15 tours/mn, d'un monocristal de

niobate de lithium dans la direction cristallographi-

que y (Le germe 19 est orienté de telle façon que

ses directions cristallographiques 010 i> soient pa-

rallèles à l'axe vertical Z'Z) Le monocristal obtenu a un poids d'environ 2,75 kg, un diamètre qui varie

entre 52 et 56 mm et une longueur d'environ 200 mm.

Opération 4: le tirage étant terminé, montée du mo-

nocristal, à la vitesse de 30 mm/heure, dans la zone de température homogène du four de post-chauffage 9, la température TR de cette zone étant égale à

12150 C + 50 C.

Opération 5: recuit du monocristal pendant 12 heu-

res, à la température TR.

Opération 6: descente en température du four de post-chauffage 9, à raison de 30 C/heure, jusqu'à ce que la zone 20 de chauffe homogène soit à température ambiante.

L'enceinte 4 est encore par exemple une enceinte ouver-

te et il en est de même pour le four de post-chauffage,

de sorte que toutes les opérations précédentes sont ef-

fectuées sous air, à la pression atmosphérique.

Sur la figure 2, on a représenté schématique-

ment un autre mode de réalisation particulier du dispo-

sitif objet de l'invention, permettant de fabriquer des monocristaux de niobate de lithium exempts de toute contrainte Il comprend des moyens 2 d'élaboration d'un monocristal de niobate de lithium et des moyens 3 de

chauffage Les moyens 2 d'élaboration comportent essen-

tiellement un four 22 vertical, ou four de préchauffage que l'on peut appeler premier four, et une résistance électrique métallique 23 plane, horizontale et percée

de trous 23 a Les moyens 3 de chauffage comportent es-

sentiellement un autre four 24 vertical, ou four de

* post-chauffage que l'on peut appeler deuxième four.

Lesdits fours 22 et 24 sont disposés selon un même axe vertical X'X Ces deux fours sont réalisés en oxyde

réfractaire (alumine, zircone) et entourés de résistan-

ces chauffantes 22 b et 24 b Ils débouchent l'un sur

l'autre et la résistance électrique plane 23 est inter-

posée entre eux Pour ce faire, lesdits four 22 et au-

tre four 24 sont respectivement pourvus d'extrémités 25

et 26 ouvertes et en regard l'une de l'autre Ces ex-

trémités pénètrent dans une enceinte 27 grâce à des

ouvertures 28 et 29 d'axe X'X pratiquées dans celle-ci.

La résistance 23 est maintenue horizontalement dans cette enceinte, entre lesdites extrémités 25 et 26, à l'aide d'amenées de courant électrique 30 et 31 à cette résistance. Ledit four 22 est par exemple situé au-dessus dudit autre four 24 Ce four 22 et cet autre four 24 sont respectivement pourvus, en leurs intérieurs 22 a et 24 a, d'un premier et d'un second moyens de déplacement respectivement constitués par une première tige 34

d'axe X'X et une seconde tige 35 également d'axe X'X.

Ces première et seconde tiges sont aptes à monter ou à

descendre suivant l'axe X'X et à tourner sur elles-

mêmes tout en montant ou en descendant Elles sont res-

pectivement commandées par un premier 36 et un second 37 systèmes de translation-rotation connus dans l'état de la technique Le premier système, ou mécanisme haut, est disposé au-dessus dudit four 22 et le second systè-

me, ou mécanisme bas, est disposé en dessous dudit au-

tre four 24.

Le procédé selon l'invention, mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 2 que l'on vient de décrire, va maintenant être expliqué: dans un premier

temps, un monocristal 38 de niobate de lithium sensi-

blement cylindrique est élaboré par la méthode du ré-

sistor plan Pour ce faire, on utilise un barreau cy-

lindrique 39 constitué par de la poudre de niobate de lithium compactée par pressage isostatique et un germe

constitué par un petit barreau cylindrique de nioba-

te de lithium monocristallin, dont l'axe est orienté

dans la direction cristallographique souhaitée Le bar-

reau 39 est fixé verticalement sur un support 41 prévu

à l'extrémité 42 de la première tige 34, extrémité si-

tuée en regard de la résistance 23 Le germe 40 est

fixé verticalement sur un support 43 prévu à l'extrémi-

té 44 de la seconde tige 35, extrémité située en regard

de la résistance 23.

La résistance électrique est maintenue à la température de fusion TF du niobate de lithium, égale à 12500 C La température d'équilibre desdits four 23 et autre four 24 est maintenue égale à une température TF-AT très proche de la température de fusion TF, AT étant par exemple de l'ordre de 300 C On a traduit cela sur la figure 2, sur laquelle on a également représenté les variations de la température T à l'intérieur du dispositif correspondant à cette figure, en fonction de l'altitude considérée, comptée sur l'axe X'X orienté vers le haut et muni d'une origine O' correspondant au

fond 45 dudit autre four 24 Cet autre four 24 est-

pourvu d'une zone 46 de température homogène de lon-

gueur au moins égale à celle du monocristal à former.

On peut choisir un four 22 identique audit autre four 24 et donc également pourvu d'une zone 47 de températu- re homogène Alors, la température T augmente à partir

dudit fond 45 jusqu'à la zone 46 de température homogè-

ne de l'autre four 24 dans laquelle elle reste cons-

tante et égale à TF-AT, puis diminue, remonte jusqu'à TF au niveau de la résistance 23, rediminue en dessous de la valeur T -AT, remonte jusqu'à cette valeur

qu'elle conserve dans la zone 47 de température homogè-

ne du four 22 puis rediminue.

L'élaboration du monocristal 38 de niobate de lithium sera mieux comprise à l'aide des figures 3 A à 3 E Le barreau 39 et le germe 40 sont d'abord déplacés respectivement dans le four 22 et l'autre four 24, à l'aide des mécanismes haut et bas 36 et 37, de façon que leurs extrémités respectives 48 et 49 soient au contact de la résistance percée 23 (figure 3 A) Cette dernière étant à la température de fusion TF, il se forme, entre le barreau 39 et le germe 40, une zone

fondue 50 qui relie ce barreau et ce germe (figure 3 B).

A l'aide des mécanismes haut et bas, le barreau est alors progressivement descendu c'est-à-dire avancé vers la résistance percée 23, tout en étant animé d'un mouvement de rotation d'axe X'X, et simultanément le

germe 40 est également progressivement descendu c'est-

à-dire écarté de cette résistance, tout en étant égale-

ment animé d'un mouvement de rotation d'axe X'X, de

façon que la zone fondue 50 se déplace le long du bar-

reau 39 (figure 3 C et 3 D) Le niobate de lithium est

donc fondu au niveau de la résistance 23 puis se re-

froidit et recristallise suivant l'orientation du germe

40, du même côté que ce dernier par rapport à la résis-

tance 23 Lorsqu'il ne reste plus qu'une petite partie 51 du barreau 39, la descente de celui-ci et du germe est arrêtée et l'élaboration du monocristal est alors

achevée (figure 3 E).

Dans un deuxième temps, le monocristal ainsi élaboré est positionné dans la zone 46 de température homogène de l'autre four 24 pour y subir un recuit sous gradient de température nul Pour ce faire, cette zone

est préalablement portée à une température T R de l'or-

dre de 12000 C pour effectuer ce recuit Puis, dans un troisième temps, la température de cette zone 24 est

progressivement abaissée, jusqu'à la température am-

biante, de façon à refroidir le monocristal, et ce,

toujours sous gradient longitudinal de température nul.

Dans un mode de réalisation particulier de la résistance électrique plane,celle-ci est constituée par une feuille de platine percée de trous calibrés et constamment maintenue plane et horizontale par des moyens connus de tension progressive, en fonction de sa température et donc de sa maléabilité La température d'équilibre dans la partie centrale de la résistance est maintenue égale à la température de fusion TF, soit

12500 C Les trous dont la résistance est pourvue per-

mettent le passage du niobate de lithium sous forme liquide de la partie supérieure à la partie inférieure du dispositif de la figure 2 (définies par rapport à la résistance) et sont répartis dans la partie centrale de la feuille de platine afin d'y former une zone homogène

de grande résistance électrique o a donc lieu le maxi-

mum de dégagement de chaleur De préférence, les trous de ladite zone homogène ont une répartition symétrique

par rapport à l'axe vertical X'X.

-Cette technique du résistor plan présente un très grand avantage sur toutes les autres techniques de fusion de zone Le couplage direct de la résistance et du matériau à fondre fait que les pertes de chaleur sont minimes La chaleur latente de cristallisation,

positive, qui se dégage sous la résistance est immédia-

tement et presque intégralement récupérée au-dessus de la résistance comme chaleur latente de fusion, négati- ve Le rendement thermique est ainsi maximum Dans ce cas, les vitesses de cristallisation peuvent être très

grandes (cinq à dix fois plus grandes qu'avec les au-

tres techniques de fusion de zone).

A titre indicatif et non limitatif, on peut se placer dans les conditions expérimentales suivantes pour fabriquer un monocristal de niobate de lithium

avec le dispositif de la figure 2: on utilise une pou-

dre de Li Nb O 3 (du genre de celle qui est commercialisée

par la société Johnson-Matthey), tamisée à 100 lim, vi-

brée et pressée (par pressage isostatique à 2 kbar), de façon à obtenir un barreau 39 compact de diamètre 25 mm et de longueur 150 mm Le germe monocristallin 40 est

orienté suivant la direction cristallographique z ou y.

On désigne respectivement par V 1 et S les vitesses de translation et de rotation axiale du barreau suivant l'axe X'X De même, on désigne respectivement par V 2 et w 2 les vitesses de translation et de rotation axiale du germe suivant l'axe X'X En début de cristallisation,

c'est-à-dire lors de la formation de la tête 52 du mo-

nocristal 38 (figure 3 C), on choisit C 1 = 12 tours/mn-et V 1 = 2 mm/heure

02 = 20 tours/mn et V 2 = 18 mm/heure.

Pendant la cristallisation proprement dite (figure 3 D) on choisit (de façon à obtenir un monocristal de 20 mm de diamètre): w 1 = 12 tours/mn et V 1 = 15 mm/heure

C 2 = 20 tours/mn et V 2 = 18 mm/heure.

En fin de tirage (figure 3 E), la partie res-

tante 51 du barreau 39 est relevée Le monocristal 38 est laissé au contact de la résistance 23 pendant 30 mn puis lentement décollé de celle- ci pour être amené dans

la zone 46 de température homogène du four 24 de post-

chauffage portée à 12000 C, afin d'y subir ledit recuit sous gradient de température nul pendant 12 heures.

Ledit refroidissement est ensuite effectué sous gra-

dient longitudinal de température nul jusqu'à la tempé-

rature ambiante, avec une vitesse de refroidissement de

300 C/heure.

Bien entendu, du fait de la symétrie du dis-

positif représenté sur la figure 2, on pourrait inver-

ser les rôles desdits four 22 et autre four 24, le barreau 39 et le germe 40 étant alors respectivement montés sur la seconde tige 35 et la première tige 34 et

déplacés vers le haut du dispositif lors de l'élabora-

tion du monocristal.

Par ailleurs, on pourrait bien entendu utili-

ser d'autres méthodes que celles de CZOCHRALSKI et du résistor plan, pour élaborer le monocristal de Li Nb O 3, par exemple les méthodes de BRIDGMANN, de VERNEUIL, de KYROPOULOS ou de fusion de zone Néanmoins, la méthode

de CZOCHRALSKI et celle du résistor plan sont particu-

lièrement bien adaptées au procédé objet de l'inven-

tion.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 Procédé de fabrication d'un monocristal,

exempt de toute contrainte, d'un composé ferroélectri-

que à structure cristalline, caractérisé en ce qu'il consiste: à élaborer un monocristal ( 16, 38) dudit composé fer- roélectrique,

à effectuer un recuit de ce monocristal ( 16, 38) im-

médiatement après l'élaboration de celui-ci, ce re-

cuit étant effectué dans un gradient de température nul, à une température correspondant au domaine de plasticité du composé ferroélectrique et inférieure à

la température de fusion de ce composé ferroélectri-

que, et enfin à réaliser un refroidissement de ce monocristal ( 16,

38) dans un gradient longitudinal de température nul.

2 Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le monocristal ( 16, 38) est recuit dans une zone ( 20, 46) de température homogène située dans le prolongement de moyens ( 2) prévus pour l'élaboration

de ce monocristal, de façon que ce dernier puisse pas-

ser directement des moyens ( 2) prévus pour son élabora-

tion à la zone ( 20, 46) de température homogène.

3 Procédé selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que le monocristal ( 16) du composé ferro-

électrique est élaboré par tirage, à partir d'un bain fondu ( 17) de ce composé ferroélectrique, puis monté dans une zone ( 20) de température homogène égale à la

température de recuit, pour y subir ce recuit puis le-

dit refroidissement, cette zone étant située à la ver-

ticale dudit bain ( 17).

4.Procédé selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que ce monocristal ( 16) est animé d'un mou-

vement de rotation pendant son élaboration, cette rota-

tion et le tirage étant effectués selon un mime axe

vertical (Z'Z).

Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite zone

( 20) de température homogène est, préalablement au re-

cuit, portée progressivement à la température de re-

cuit, pendant l'élaboration du monocristal ( 16).

6 Procédé selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que le monocristal ( 38) du composé ferro-

électrique est élaboré en plaçant une extrémité ( 48) d'un barreau ( 39) de ce composé ferroélectrique et une extrémité ( 49) d'un germe ( 40) monocristallin dudit composé ferroélectrique au voisinage et de part et

d'autre d'une résistance électrique ( 23) plane et per-

cée, maintenue à une température au moins égale à la température de fusion du composé ferroélectrique, de façon à relier le barreau ( 39) et le germe ( 40) par une

zone fondue ( 50) du composé ferroélectrique, et en fai-

sant se déplacer cette zone fondue ( 50) le long dudit barreau ( 39), à partir de ladite extrémité ( 48) de

celui-ci, par déplacement du barreau ( 39) vers la ré-

sistance ( 23), le germe ( 40) étant simultanément éloi-

gné de cette résistance ( 23), et en ce que le monocris-

tal ( 38) ainsi élaboré est soumis audit recuit puis audit refroidissement dans une zone ( 46) de température

homogène située dans le prolongement de ladite résis-

tance ( 23) et du même côté de cette résistance que le-

dit germe ( 40).

7 Procédé selon la revendication 6, carac-

térisé en ce que le barreau ( 39) et le germe ( 40) sont déplacés suivant un même axe (X'X) vertical, pendant

l'élaboration du monocristal ( 38) et en ce que la ré-

sistance ( 23) est perpendiculaire à cet axe vertical.

8 Procédé selon la revendication 7, caracté-

risé en ce que le barreau ( 39) et le germe ( 40) sont en outre animés d'un mouvement de rotation dont l'axe est ledit même axe vertical (X'X), pendant l'élaboration du monocristal ( 38).

9 Procédé selon l'une quelconque des reven-

dications 6 à 8, caractérisé en ce que, pendant l'éla-

boration du monocristal ( 38), le barreau ( 39) et le monocristal ( 38) en cours d'élaboration sont maintenus à une température inférieure à la température de fusion

du composé ferroélectrique et voisine de cette tempéra-

ture de fusion.

Procédé selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 9, caractérisé en ce que le composé fer-

roélectrique est le niobate de lithium et en ce que le recuit du monocristal est effectué à une température supérieure à sa température de Curie, soit environ 1150 C, et inférieure à la température de fusion du

niobate de lithium.

11 Procédé selon la revendication 10, carac-

térisé en ce que le composé ferroélectrique est le niobate de lithium et en ce que le recuit est effectué à une température au moins égale à 1200 C et inférieure

à 1250 C.

12 Dispositif de fabrication d'un monocris-

tal, exempt de toute contrainte, d'un composé ferro-

électrique à structure cristalline, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 2) d'élaboration d'un monocristal ( 16, 38) dudit composé ferroélectrique, et des moyens ( 3) de chauffage ayant une zone ( 20, 46) de température homogène, placés dans le prolongement des moyens ( 2) d'élaboration, ces moyens ( 3) de chauffage étant prévus, d'une part, pour effectuer un recuit du monocristal ( 16, 38) immédiatement après

l'élaboration de celui-ci, dans un gradient de tempéra-

ture nul et à une température correspondant au domaine de plasticité du composé ferroélectrique et inférieure

à la température de fusion de ce composé ferroélectri-

que et, d'autre part, pour effectuer un refroidissement

de ce monocristal dans un gradient longitudinal de tem-

pérature nul, après ledit recuit.

13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens ( 2) d'élaboration du

monocristal ( 16) comportent un premier four ( 5) verti-

cal muni d'un creuset ( 7) prévu pour y fondre ledit composé ferroélectrique, en ce que les moyens ( 3) de chauffage comportent un deuxième four ( 9) vertical

ayant une zone ( 20) de température homogène, placé au-

dessus dudit premier four ( 5) et communiquant avec celui-ci, lesdits fours ( 5, 9) et creuset ( 7) étant en outre disposés selon un même axe vertical (Z'Z), et en

ce que lesdits fours ( 5, 9) sont pourvus, en leur inté-

rieur, d'un moyen ( 14) de déplacement selon ledit axe vertical (Z'Z), prévu pour élaborer le monocristal ( 16) par tirage, à partir du composé ferroélectrique, une fois celui-ci fondu dans le creuset ( 7), et pour monter le monocristal ( 16) lorsqu'il est élaboré, dans la zone ( 20) de température homogène afin qu'il y subisse ledit

recuit puis ledit refroidissement.

14 Dispositif selon la revendication 12, ca-

ractérisé en ce que les moyens ( 2) d'élaboration du

monocristal ( 38) comportent un premier four ( 22) verti-

cal et une résistance électrique ( 23) plane, horizonta-

le et percée, prévue pour être portée à une température au moins égale à la température de fusion du composé ferroélectrique, en ce que les moyens ( 3) de chauffage comportent un deuxième four ( 24) vertical pourvu d'une zone ( 46) de température homogène, en ce que lesdits fours ( 22, 24) débouchent l'un sur l'autre, en ce que ladite résistance électrique est interposée entre eux, en ce que lesdits fours sont disposés suivant un même axe vertical (X'X) et sont respectivement pourvus, en leurs intérieurs, d'un premier ( 34) et d'un second ( 35) moyens de déplacement selon-ledit axe vertical (X'X), en ce que le premier moyen ( 34) est prévu pour déplacer un barreau ( 39) du composé ferroélectrique en direction de la résistance ( 23) et en ce que le second moyen ( 35) est prévu pour, éloigner de cette résistance un germe monocristallin ( 40) de ce composé ferroélectrique, à partir d'une position o ce barreau ( 39) et ce germe ( 40), situés de part et d'autre de la résistance ( 23),

ont chacun une extrémité au voisinage de cette résis-

tance ( 23), de façon à relier, grâce à ladite résistan-

ce, le barreau et le germe par une zone fondue ( 50) dudit composé ferroélectrique et à faire se déplacer cette zone fondue le long dudit barreau, pour élaborer le monocristal ( 38) et amener ce dernier dans la zone ( 46) de température homogène dudit deuxième four ( 24)

afin qu'il y subisse ledit recuit puis ledit refroidis-

sement.