JP2011190138A - Method for producing multiferroic single crystal - Google Patents

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Toshimitsu Ito
利充 伊藤
Yasuhide Tomioka
泰秀 富岡
Yuji Yanagisawa
勇治 柳澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a large-size single crystal of BiFeO<SB>3</SB>which can be used for a multiferroic device, a ferroelectric device, a piezoelectric device and so on. <P>SOLUTION: A BiFeO<SB>3</SB>single crystal rod is fabricated as follows: using a high density BiFeO<SB>3</SB>raw material rod 3 supported on one of upper and lower two crystal-driving shafts, a seed crystal rod 4 supported on the other crystal-driving shaft, and a flux (melting agent) 5; heating the flux 5 by means of the floating zone method to form a molten zone 7; and growing the single crystal under an atmosphere of oxygen, an inert gas or a mixed gas thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気磁気効果(マルチフェロイック)デバイス、強誘電デバイス、ピエゾデバイス等に用いることのできる電気磁気効果単結晶の製造技術に関する。より具体的には、電気磁気効果が期待できるBiFeO3の大型単結晶製造技術に関する。 The present invention relates to a technique for producing an electromagnetic effect single crystal that can be used for an electromagnetic effect (multiferroic) device, a ferroelectric device, a piezoelectric device, and the like. More specifically, the present invention relates to a technology for producing a large single crystal of BiFeO 3 that can be expected to have an electromagnetic effect.

BiFeO3は強誘電性(ferroelectric)と強弾性(ferroelastic)と反強磁性(antiferromagnetic)が共存し、それらが相互作用している点に特徴がある。複数のフェロ(ferro)特性が絡みあうことからマルチフェロイック材料と呼ばれる。例えば電場によって電気分極を制御し、それによって間接的に磁性を制御するといったことが可能になる。このような効果を電気磁気効果あるいは交差相関と呼ぶ。現在までのところ、BiFeO3は室温で実現する唯一のマルチフェロイック材料である。電場による磁性の制御を利用して磁気メモリーやハードディスク書き込みなどへの使用が期待されている(非特許文献1参照)。また、BiFeO3の電気分極は100μC/cm2と非常に大きいことが知られており、強誘電性や強弾性のみでも利用価値が大きい。ピエゾデバイス等として使用される場合には、PZTなどとは異なり鉛を含まないという利点もある。 BiFeO 3 coexists antiferromagnetic and ferroelectric (ferro electric) and Ferroelastic (ferro elastic) (anti ferro magnetic ), they are characterized in that it interacts. It is called a multiferroic material because a plurality of ferro properties are entangled. For example, it is possible to control electric polarization by an electric field and thereby indirectly control magnetism. Such an effect is called an electromagnetic effect or a cross correlation. To date, BiFeO 3 is the only multiferroic material realized at room temperature. It is expected to be used for magnetic memory, hard disk writing, and the like by utilizing magnetic control by an electric field (see Non-Patent Document 1). In addition, it is known that BiFeO 3 has an extremely large electric polarization of 100 μC / cm 2, and its utility value is great even with ferroelectricity and ferroelasticity alone. When used as a piezo device or the like, unlike PZT or the like, there is an advantage that it does not contain lead.

BiFeO3の合成に関して、多結晶体や薄膜については多数の報告がある。単結晶については報告が少なく、るつぼを用いたフラックス法による薄片微結晶についてのみ報告がある(非特許文献2参照)。デバイス化のためには、高品質な大型単結晶が必要とされるが、フラックス法によるBiFeO3の微結晶は、サイズが小さいだけでなく、形や大きさのばらつきも大きく、しかも、るつぼ材等の不純物の混入も避けられないため、デバイス化の要求に全く答えることができないものである。 Regarding the synthesis of BiFeO 3 , there are many reports on polycrystals and thin films. There are few reports on single crystals, and there are reports only on flake microcrystals by the flux method using a crucible (see Non-Patent Document 2). High-quality large single crystals are required for device development, but the BiFeO 3 microcrystals produced by the flux method are not only small in size but also large in variation in shape and size. Since it is unavoidable that impurities such as these are mixed in, it cannot completely satisfy the demand for device formation.

また、強誘電性を利用するためには十分な絶縁性が要求されるが、BiFeO3は漏れ電流が生じやすい欠点があり、強誘電性の利用が困難という問題があった。漏れ電流の原因としては、導電性のある異相の混入、酸素不定量比(すなわち、BiFeO3における酸素組成の化学量論比からのずれ)によるキャリアーの存在などが可能性として指摘されている。これらの原因を取り除くために、不純物元素による置換(特許文献1〜2、非特許文献3〜7参照)や希硝酸による処理(上記非特許文献2参照)という間接的な対策が採られている。薄膜では、酸素量を制御するという直接的な対策が採られているが(特許文献3参照)、酸素定量比の純良バルク試料の合成による漏れ電流抑制の成功例は知られていない。 In addition, sufficient insulation is required to use ferroelectricity, but BiFeO 3 has a drawback that leakage current tends to occur, and there is a problem that it is difficult to use ferroelectricity. Possible causes of the leakage current include the presence of conductive heterogeneous phases and the presence of carriers due to the oxygen non-quantitative ratio (that is, deviation from the stoichiometric ratio of the oxygen composition in BiFeO 3 ). In order to remove these causes, indirect measures such as substitution with an impurity element (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 3 to 7) and treatment with dilute nitric acid (see Non-Patent Document 2 above) are taken. . In the thin film, a direct measure of controlling the oxygen amount is taken (see Patent Document 3), but no successful example of leakage current suppression by synthesis of a pure bulk sample with an oxygen quantitative ratio is known.

上述のようなフラックス法によるBiFeO3単結晶製造の問題点を解決するためには、溶融帯域法(フローティングゾーン法)による単結晶製造法を採用することが考えられるが、BiFeO3単結晶について成功例の報告は今まで全くなかった。
本発明者らは、従来のランプ加熱式のフローティングゾーン炉を用いた単結晶育成の研究過程において、BiFeO3単結晶育成には、原料への融液の浸透や育成結晶への融液の垂れの問題点を解決する必要性を認識した。その後、本発明者らは、ランプ加熱式のフローティングゾーン炉で問題となった融液の浸透や垂れを防ぐ目的でレーザ加熱式のフローティングゾーン炉を開発し(特許文献4、5参照)、さらに、そのようなレーザ加熱式のフローティングゾーン炉をBiFeO3単結晶育成に適用することについて、本発明者らは検討を続けていたが、一般には、そのようなレーザ加熱式のフローティングゾーン炉とBiFeO3単結晶育成との関連は知られておらず、まして、BiFeO3単結晶製造に適した、原料棒作製法・育成速度・雰囲気・フラックス組成などの各種条件の範囲についても全く知られていなかった。
In order to solve the problems of the BiFeO 3 single crystal production by the flux method as described above, it is conceivable to adopt the single crystal production method by the melting zone method (floating zone method), but the BiFeO 3 single crystal is successful. There have never been any reports of examples.
In the process of growing a single crystal using a conventional lamp-heated floating zone furnace, the present inventors have developed a BiFeO 3 single crystal for penetration of the melt into the raw material and dripping of the melt into the grown crystal. Recognized the need to solve the problems. After that, the present inventors developed a laser heating type floating zone furnace for the purpose of preventing melt penetration and dripping which became a problem in the lamp heating type floating zone furnace (see Patent Documents 4 and 5). The inventors of the present invention have continued to study the application of such a laser-heated floating zone furnace to BiFeO 3 single crystal growth, but generally, such a laser-heated floating zone furnace and a BiFeO 3 3 The relationship with single crystal growth is not known, nor is there any known range of conditions such as raw material rod preparation method, growth rate, atmosphere, flux composition, etc. suitable for BiFeO 3 single crystal production It was.

特開2009-224668号公報JP 2009-224668 特開2009-267363号公報JP 2009-267363 A 特開2007-294986号公報JP 2007-294986 JP 特開2009-040626号公報JP2009-040626 特願2010-006894号Japanese Patent Application No. 2010-006894

Nature Materials 7, 425 (2008)、Physics 2, 105 (2009)Nature Materials 7, 425 (2008), Physics 2, 105 (2009) Physical Review B 76, 024116 (2007)Physical Review B 76, 024116 (2007) Journal of Applied Physics 100, 074111 (2006)Journal of Applied Physics 100, 074111 (2006) Solid State Communications 135, 133 (2005)Solid State Communications 135, 133 (2005) Applied Physics Letters 91, 112913 (2007)Applied Physics Letters 91, 112913 (2007) Journal of Applied Physics 102, 074107 (2007)Journal of Applied Physics 102, 074107 (2007) Journal of Applied Physics 101, 014108(2007)Journal of Applied Physics 101, 014108 (2007)

本発明においては、上述のような従来技術における問題点を解決し、BiFeO3大型単結晶育成法を開発することが一番目の課題である。
また、BiFeO3の漏れ電流低減のために、異相の混入や酸素不定量比という直接的な原因を取り除くことが可能な単結晶の育成法を開発することが二番目の課題である。
In the present invention, the first problem is to solve the above-mentioned problems in the prior art and develop a BiFeO 3 large single crystal growth method.
In order to reduce the leakage current of BiFeO 3, the second challenge is to develop a single crystal growth method that can eliminate the direct causes of heterogeneous contamination and oxygen indefinite ratio.

上述のような従来技術を背景としたBiFeO3大型単結晶育成法を開発する研究過程において、本発明者らは、次の(a)〜(c)のような知見を得た。
(a)本発明者らが開発した上記レーザ加熱式のフローティングゾーン炉をBiFeO3単結晶育成に適用するとともに、原料棒を高密度化すること等の育成条件を調整することにより、従来のランプ加熱式のフローティングゾーン炉を用いた際の原料への融液の浸透や育成結晶への融液の垂れの問題点を解決し、BiFeO3単結晶を育成することができる。
(b)原料棒作製法・育成速度・雰囲気・フラックス組成などの各種条件を調整することにより、更に品質の良いBiFeO3大型単結晶の育成が可能となる。
(c)単結晶を育成する際に、雰囲気ガスにおける酸素定量比を調整することにより、BiFeO3単結晶の漏れ電流を低減することができる。
In the course of research for developing a BiFeO 3 large single crystal growth method against the background of the above-described conventional technology, the present inventors have obtained the following knowledge (a) to (c).
(A) The above-mentioned laser heating type floating zone furnace developed by the present inventors is applied to BiFeO 3 single crystal growth, and the conventional lamp is adjusted by adjusting the growth conditions such as increasing the density of the raw material rod. The BiFeO 3 single crystal can be grown by solving the problems of the penetration of the melt into the raw material and the dripping of the melt into the grown crystal when the heating type floating zone furnace is used.
(B) By adjusting various conditions such as the raw material rod preparation method, growth rate, atmosphere, and flux composition, it becomes possible to grow BiFeO 3 large single crystals with higher quality.
(C) When growing the single crystal, the leakage current of the BiFeO 3 single crystal can be reduced by adjusting the oxygen quantitative ratio in the atmospheric gas.

本発明は、上記のような知見に基づくものであり、以下の事項を特徴としている。
(1)上下2つの結晶駆動軸の一方に支持されたBiFeO3の高密度な原料棒と、他方の結晶駆動軸に支持された種結晶棒と、両棒の間に載置されたフラックス(溶融剤)を用い、レーザ加熱式の溶融帯域法(フローティングゾーン法)によりフラックスを加熱して溶融帯域を形成し、酸素、不活性ガス、又は、それらの混合ガスの雰囲気下で単結晶を育成してBiFeO3単結晶棒を作製することを特徴とする電気磁気効果単結晶の製造方法。
(2)前記レーザ加熱に用いるレーザ光は、径方向及び/又は軸方向の強度分布が略矩形形状であることを特徴とする(1)に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(3)前記BiFeO3の高密度な原料棒は、
Fe2O3とBi2O3との組成比がモル比で1対1に混合焼結し棒状にして原料棒を作製する工程と、
前記原料棒と種結晶棒の間に載置されたフラックスを用いて、溶融帯域法により酸素、不活性ガス、又は、それらの混合ガスの雰囲気下で高速度移動を伴って溶融・凝固させる工程と、
を含む調製方法により調製されたものである(1)に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(4)前記フラックスは、Fe2O3とBi2O3とを原料とし、Fe2O3の原料全体に占める割合Rを
0モル%≦R≦30モル%
として焼結し塊状にする工程により調製されたものである(1)に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(5)前記BiFeO3単結晶棒の育成速度Vを
V ≦1.0mm/h
としてBiFeO3単結晶を育成することを特徴とする(1)に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(6)前記雰囲気における酸素含有率Iを
0%≦I≦100%
としてBiFeO3単結晶を育成することを特徴とする(1)又は(3)に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(7)前記雰囲気における酸素含有率Iを
0%≦I≦1%
として育成結晶の漏れ電流を低減することを特徴とする(6)に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(8)前記不活性ガスがアルゴンガスであることを特徴とする(1)、(3)、(6)、(7)のいずれか1項に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
(9)(1)〜(8)のいずれか1項に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法によって製造されたペロブスカイト酸化物BiFeO3単結晶。
The present invention is based on the above findings and is characterized by the following matters.
(1) BiFeO 3 high-density raw material rod supported on one of the upper and lower two crystal drive shafts, a seed crystal rod supported on the other crystal drive shaft, and a flux ( Using a melting agent, the flux is heated by the laser heating melting zone method (floating zone method) to form a melting zone, and a single crystal is grown in an atmosphere of oxygen, inert gas, or a mixed gas thereof. And manufacturing a BiFeO 3 single crystal rod.
(2) The method for producing an electromagnetism single crystal according to (1), wherein the laser beam used for the laser heating has a substantially rectangular shape in radial and / or axial intensity distribution.
(3) The high density raw material rod of BiFeO 3 is
A step of preparing a raw material rod by mixing and sintering a composition ratio of Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 in a molar ratio of 1: 1 to 1:
A step of melting and solidifying with high-speed movement in an atmosphere of oxygen, an inert gas, or a mixed gas thereof by a melting zone method using a flux placed between the raw material rod and the seed crystal rod When,
The method for producing an electromagnetic effect single crystal according to (1), which is prepared by a preparation method comprising:
(4) The flux uses Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 as raw materials, and the ratio R of Fe 2 O 3 in the total raw materials is
0 mol% ≤ R ≤ 30 mol%
(1) The method for producing an electromagnetic effect single crystal according to (1), which is prepared by a step of sintering into a lump.
(5) Growth rate V of the BiFeO 3 single crystal rod
V ≦ 1.0mm / h
BiFeO 3 single crystal is grown as a method for producing an electromagnetic effect single crystal according to (1).
(6) Oxygen content I in the atmosphere
0% ≦ I ≦ 100%
BiFeO 3 single crystal is grown as a method for producing an electromagnetism single crystal according to (1) or (3).
(7) Oxygen content I in the atmosphere
0% ≦ I ≦ 1%
(6) The method for producing an electromagnetic effect single crystal according to (6), wherein leakage current of the grown crystal is reduced.
(8) The method for producing an electromagnetism single crystal according to any one of (1), (3), (6), and (7), wherein the inert gas is argon gas.
(9) A perovskite oxide BiFeO 3 single crystal produced by the method for producing an electromagnetic effect single crystal according to any one of (1) to (8).

従来のランプ加熱式の場合には、育成時に原料棒への融液の浸透が激しく、固液境界が不明瞭であるとともに、融液の垂れが起きたり、径が不均一で育成が不安定であったりし、更に、不純物相も析出して単結晶とは言えない微細結晶の集まりが製造されるのに対し、本発明のレーザ加熱式では、原料棒への融液の浸透がほとんど認められず、固液境界がきわめて明瞭であり、融液の垂れはなく、径が均一で、不純物相の析出がないかあっても僅かであり、安定した単結晶の育成が可能となった。
レーザ加熱を用いて育成を安定化できることに加えて、育成条件(原料の高密度化、フラックス組成、育成速度、雰囲気)を最適化することにより大型結晶育成に初めて成功した。
更に還元雰囲気下での精密酸素量制御を用いた結晶育成により、特殊加工(不純物元素置換や酸処理)を施していないバルク材で室温における漏れ電流(リーク電流)を十分抑えることも可能となった。
In the case of the conventional lamp heating type, the penetration of the melt into the raw material rod is intense at the time of growth, the solid-liquid boundary is unclear, the dripping of the melt occurs, the diameter is not uniform, and the growth is unstable. In addition, the impurity phase also precipitates to produce a collection of fine crystals that cannot be said to be a single crystal, whereas in the laser heating method of the present invention, almost no penetration of the melt into the raw material rod is recognized. Thus, the solid-liquid boundary is very clear, the melt does not sag, the diameter is uniform, and even if there is no precipitation of the impurity phase, stable single crystals can be grown.
In addition to being able to stabilize the growth using laser heating, we succeeded in growing large crystals for the first time by optimizing the growth conditions (densification of raw materials, flux composition, growth rate, atmosphere).
Furthermore, crystal growth using precise oxygen control in a reducing atmosphere makes it possible to sufficiently suppress leakage current (leakage current) at room temperature using bulk materials that have not undergone special processing (impurity element substitution or acid treatment). It was.

本発明の電気磁気効果単結晶の製造方法に用いる装置の概略平面図である。It is a schematic plan view of the apparatus used for the manufacturing method of the electromagnetic effect single crystal of this invention. 本発明の電気磁気効果単結晶の製造方法に用いる矩形分布加熱方式の径方向集光強度分布を示す図である。It is a figure which shows radial direction condensing intensity distribution of the rectangular distribution heating system used for the manufacturing method of the electromagnetic effect single crystal of this invention. 本発明の電気磁気効果単結晶の製造方法に用いる矩形分布加熱方式の軸方向集光強度分布を示す図である。It is a figure which shows the axial direction condensing intensity distribution of the rectangular distribution heating system used for the manufacturing method of the electromagnetic effect single crystal of this invention. 本方式の炉本体に備えられたテレビカメラで撮影されたBiFeO3単結晶育成時の溶融帯域近傍のリアルタイム画像である。BiFeO 3 taken by a television camera provided in the furnace body of the present method is a real-time image of the melting zone near the single crystal growth. 従来型のランプ型炉におけるBiFeO3単結晶育成時の溶融帯域近傍のリアルタイム画像である。It is a real-time image of the vicinity of the melting zone during BiFeO 3 single crystal growth in a conventional lamp furnace. Fe2O3とBi2O3を組成とする混合物の平衡状態を示す相図である。The Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 is a phase diagram showing the equilibrium of the mixture to the composition. 比較例の単結晶棒写真である。It is a single crystal rod photograph of a comparative example. 実施例1の単結晶棒写真である。2 is a single crystal rod photograph of Example 1. FIG. 実施例2の単結晶棒と残った原料棒の写真である。2 is a photograph of a single crystal rod of Example 2 and a remaining raw material rod. 実施例3の単結晶棒写真である。4 is a single crystal rod photograph of Example 3. 実施例4の単結晶棒写真である。4 is a single crystal rod photograph of Example 4. FIG. 実施例5の単結晶棒と残った原料棒の写真である。It is a photograph of the single crystal rod of Example 5 and the remaining raw material rod. 比較例の結晶棒切断面のラウエ写真である。It is a Laue photograph of the crystal bar cut surface of a comparative example. 実施例1の結晶棒切断面のラウエ写真である。2 is a Laue photograph of a crystal rod cut surface of Example 1. FIG. 実施例2の結晶棒切断面のラウエ写真である。3 is a Laue photograph of a crystal rod cut surface of Example 2. FIG. 実施例3の結晶棒切断面のラウエ写真である。4 is a Laue photograph of a crystal bar cut surface of Example 3. FIG. 実施例4の結晶棒切断面のラウエ写真である。6 is a Laue photograph of a crystal bar cut surface of Example 4. FIG. 実施例5の結晶棒切断面のラウエ写真である。6 is a Laue photograph of a crystal rod cut surface of Example 5. FIG. 製造時の雰囲気中の酸素含有率Iと1kV/cmの電場下での漏れ電流との関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between oxygen content I in the atmosphere during production and leakage current under an electric field of 1 kV / cm.

[装置・実験方法]
電気磁気効果単結晶を育成するレーザ加熱フローティングゾーン装置は、原料棒と種結晶棒とから単結晶を育成する単結晶育成空間を持つ本体と、パーソナルコンピュータ、液晶ディスプレイ、電源ユニット、漏電ブレーカ、コントロール装置等から構成され、該コントロール装置は、ファイバカップリング式高出力半導体レーザの出力或いは上下結晶駆動軸の移動速度や回転速度などを制御するように構成されている。
[Apparatus / Experiment Method]
Laser heating floating zone device for growing magneto-electric effect single crystal, main body with single crystal growth space for growing single crystal from raw material rod and seed crystal rod, personal computer, liquid crystal display, power supply unit, earth leakage breaker, control The control device is configured to control the output of the fiber coupling type high-power semiconductor laser or the moving speed and rotating speed of the upper and lower crystal drive shafts.

本体にはテレビカメラが備えられ被加熱部分をリアルタイムで観察できる。定電圧/定電流直流電源から電力が供給される前記ファイバカップリング式高出力半導体レーザは光ファイバを介して前記本体に接続され、透明石英管内の単結晶育成空間に配設された試料にレーザ光を照射する。またファイバカップリング式高出力半導体レーザはペルチエ素子上に組み込まれ、ペルチエ素子による温度はペルチエコントローラで制御される。更に、本体には前記単結晶育成空間に雰囲気ガスを流すガスコントローラと前記本体の被加熱部分および前記ペルチエ素子を冷却する循環式液体冷却装置が接続される。   The main body is equipped with a TV camera, and the heated part can be observed in real time. The fiber-coupled high-power semiconductor laser supplied with power from a constant-voltage / constant-current DC power source is connected to the main body via an optical fiber, and laser is applied to a sample disposed in a single crystal growth space in a transparent quartz tube. Irradiate light. The fiber coupling type high-power semiconductor laser is incorporated on the Peltier element, and the temperature of the Peltier element is controlled by a Peltier controller. Further, a gas controller for flowing atmospheric gas into the single crystal growth space and a circulating liquid cooling device for cooling the heated portion of the main body and the Peltier element are connected to the main body.

次に、前記レーザ加熱フローティングゾーン装置の溶融帯域付近の要部について図1、図2、図3を用いて説明する。
図1は本発明の電気磁気効果単結晶の製造方法に用いる装置の概略平面図、図2は本発明の電気磁気効果単結晶の製造方法に用いる矩形分布加熱方式の径方向集光強度分布、図3は本発明の電気磁気効果単結晶の製造方法に用いる矩形分布加熱方式の軸方向集光強度分布である。
該装置は加熱源として奇数個のファイバカップリング式高出力半導体レーザを配設することで所期の目的を十分達成できるが、図1はファイバカップリング式高出力半導体レーザを5個配設した場合を図示したものである。
Next, the main part near the melting zone of the laser heating floating zone apparatus will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic plan view of an apparatus used in the method for producing an electromagnetic effect single crystal of the present invention, and FIG. FIG. 3 shows the axial light collection intensity distribution of the rectangular distribution heating method used in the method for producing an electromagnetic effect single crystal of the present invention.
The apparatus can sufficiently achieve the intended purpose by arranging an odd number of fiber-coupled high-power semiconductor lasers as a heating source, but FIG. 1 has five fiber-coupled high-power semiconductor lasers arranged. The case is illustrated.

この装置は同等の照射強度を持つ複数のファイバカップリング式高出力半導体レーザ 1−1〜1−5と、多角柱または多角錐の側面で光を複数回反射させることで矩形形状の面光源を形成するライトパイプ(光学素子)2−1〜2−5と、図示されていない上結晶駆動軸と下結晶駆動軸等から構成される。上下の2つの結晶駆動軸は、同一鉛直線上となるように間隔を置いて配置されている。前記ライトパイプ2−1〜2−5は、ライトパイプの外、コリメータレンズ等も用いることでき、前記両駆動軸の円周方向の同一面内に駆動軸を中心として等角度となるように配設され、レーザ光は両駆動軸に垂直に照射される。図2に示すように、図示されていない上結晶駆動軸に原料棒3が保持され、図示されていない下結晶駆動軸に種結晶棒4が保持される。該種結晶棒4の上端面にFe2O3とBi2O3との混合物である所定量のフラックス(溶融剤)5が載置される。前記原料棒3と前記種結晶棒4及び前記フラックス5とで棒状試料6が形成される。また、該棒状試料6は図示していない透明な石英管内に配設され、該石英管内は単結晶育成に好適な雰囲気ガスが流され、所定の圧力で充満される。前記上結晶駆動軸と前記下結晶駆動軸は互いに反対方向に回転される。前記上結晶駆動軸は所定の原料供給速度で下方に移動させ、前記下結晶駆動軸は所定の結晶育成速度で下方に移動させる。 This apparatus uses a plurality of fiber coupled high-power semiconductor lasers 1-1 to 1-5 having the same irradiation intensity, and a rectangular surface light source by reflecting light multiple times on the sides of a polygonal cylinder or a polygonal pyramid. Light pipes (optical elements) 2-1 to 2-5 to be formed, an upper crystal drive shaft, a lower crystal drive shaft, and the like not shown. The two upper and lower crystal drive shafts are arranged at an interval so as to be on the same vertical line. The light pipes 2-1 to 2-5 can use a collimator lens or the like in addition to the light pipe, and are arranged at equal angles around the drive shaft in the same plane in the circumferential direction of the both drive shafts. The laser beam is irradiated perpendicularly to both drive axes. As shown in FIG. 2, the raw material rod 3 is held on an upper crystal drive shaft (not shown), and the seed crystal rod 4 is held on a lower crystal drive shaft (not shown). A predetermined amount of flux (melting agent) 5 that is a mixture of Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 is placed on the upper end surface of the seed crystal rod 4. A rod-shaped sample 6 is formed by the raw material rod 3, the seed crystal rod 4 and the flux 5. The rod-shaped sample 6 is disposed in a transparent quartz tube (not shown), and an atmosphere gas suitable for single crystal growth is flowed into the quartz tube and filled with a predetermined pressure. The upper crystal drive shaft and the lower crystal drive shaft are rotated in opposite directions. The upper crystal drive shaft is moved downward at a predetermined raw material supply speed, and the lower crystal drive shaft is moved downward at a predetermined crystal growth speed.

図1に示すファイバカップリング式高出力半導体レーザ1−1〜1−5から放射されたレーザ光は、ライトパイプ2−1〜2−5の多角柱または多角錐の側面で光が複数回反射して、図2、3に点線で示すような略矩形形状のレーザビームスポット8を形成する。そのようなレーザ照射により前記フラックス5を溶融し、溶融帯域7を形成する。   The laser light emitted from the fiber coupling type high-power semiconductor lasers 1-1 to 1-5 shown in FIG. 1 is reflected a plurality of times on the side surfaces of the polygonal cylinders or polygonal cones of the light pipes 2-1 to 2-5. Then, a laser beam spot 8 having a substantially rectangular shape as shown by a dotted line in FIGS. The flux 5 is melted by such laser irradiation to form a melting zone 7.

図2は径方向のレーザ光の強度分布を示す。棒状試料6の径方向のレーザの集光強度分布については、既に出願済みの特願2007-206005で詳細に説明した作動と同一である。特に、レーザ光源数が奇数個の場合は、そのレーザ光線の強度分布はレーザ光源数が偶数個の場合に比べて平滑性がより良くなる。   FIG. 2 shows the intensity distribution of the laser beam in the radial direction. Concentration distribution of the laser beam in the radial direction of the rod-shaped sample 6 is the same as that described in detail in Japanese Patent Application No. 2007-206005 already filed. In particular, when the number of laser light sources is an odd number, the intensity distribution of the laser beam is smoother than when the number of laser light sources is an even number.

図3は軸方向のレーザ光の強度分布を示す。そして、図示したように、溶融帯域7付近のレーザ光線の軸方向の強度分布が略矩形形状となり、その軸方向の立ち上がり(9a)および立ち下り(9b)を急峻にできる。その結果、固体部分への浸透が極めて少なくなり、かつ固化部分への垂れもなく良質な単結晶を育成できる。レーザ光線の強度分布は、径方向及び軸方向の両方共略矩形形状とすることが望ましいが、前記浸透や垂れを防止する観点からは、軸方向のみを略矩形形状とすることもできる。なお、本発明において、レーザ光線の径方向や軸方向の強度分布が略矩形形状であるとは、それぞれの方向の強度分布のグラフにおいて、照射範囲の少なくとも70%(好ましくは少なくとも80%、さらに好ましくは少なくとも90%)でレーザ光線の強度の最大値と最小値との差が最大値の25%(好ましくは15%、さらに好ましくは10%)以内にあることを意味する。   FIG. 3 shows the intensity distribution of the laser beam in the axial direction. As shown in the drawing, the intensity distribution in the axial direction of the laser beam in the vicinity of the melting zone 7 becomes a substantially rectangular shape, and the rising (9a) and falling (9b) in the axial direction can be made steep. As a result, it is possible to grow a high-quality single crystal with very little penetration into the solid portion and no dripping into the solidified portion. The intensity distribution of the laser beam is preferably substantially rectangular in both the radial direction and the axial direction. However, from the viewpoint of preventing the penetration and sagging, only the axial direction can be substantially rectangular. In the present invention, the intensity distribution in the radial direction or the axial direction of the laser beam is substantially rectangular. In the graph of the intensity distribution in each direction, at least 70% (preferably at least 80%, preferably This means that the difference between the maximum value and the minimum value of the laser beam intensity is preferably within 25% (preferably 15%, more preferably 10%) of the maximum value.

図4は本体に備えられたテレビカメラで撮影されたBiFeO3単結晶育成時の溶融帯域近傍のリアルタイム画像であり、図5に比較のために従来型のランプ型炉におけるBiFeO3単結晶育成時の溶融帯域近傍のリアルタイム画像を示す。前者では原料への融液の浸透はほとんど見られずに固液境界が明瞭に一直線であるのに対し、後者では原料への融液の浸透が起こり固液境界が入り組んでいる。 4 is a real-time image of the vicinity of the melting zone during BiFeO 3 single crystal growth taken with a TV camera provided on the main body. For comparison with FIG. 5, when BiFeO 3 single crystal is grown in a conventional lamp furnace. A real-time image of the vicinity of the melting zone is shown. In the former, the penetration of the melt into the raw material is hardly observed, and the solid-liquid boundary is clearly in a straight line, whereas in the latter, the penetration of the melt into the raw material occurs and the solid-liquid boundary is complicated.

[結晶育成・漏れ電流の原理と実験結果の概要]
図6はFe2O3とBi2O3との混合物の平衡状態を示す相図である。(Journal of Solid State Chemistry 9, 139 (1974)、ACerS-NIST PHASE EQUILIBRIA DIAGRAMS Version 3.2 (2008), The American Ceramic Society, Fig. 02357より引用)。この相図は、液相中のFe2O3の全体に占める割合Rがモル比で10モル%≦R≦30モル%のとき、930℃から785℃の温度範囲で、固相のBiFeO3がその液相と共存し、固相のBiFeO3を生成できることを示す。したがってこの範囲のRのフラックス(溶融剤)を用いれば、溶融帯域を安定に形成することができる。R>30モル%のときには、固相のBi2Fe4O9あるいは更にFeの比率の大きな化合物(固相)が液相と共存し、生成するため、BiFeO3の結晶育成には適さない。R<10モル%のときには、液相として共存する固相はBi40Fe2O63あるいはBi2O3であるが、原料のBiFeO3が溶出することによりフラックスの組成は10モル%≦R≦30モル%の範囲に落ち着く場合があるので、BiFeO3の結晶育成に使用が可能である。現実にはフラックスの組成は結晶の育成が進むにつれて変化していくので、載置するフラックスの組成は、育成を早期に安定化できるものであれば問題ない。本装置を用いて単結晶を育成する場合に、用いられるフラックスとして、Fe2O3とBi2O3とを組成とし、Fe2O3が全体に占める割合Rを種々変えて育成を行ったが、Rがモル比で0モル%、10モル%、30モル%の場合全てで良好な結晶が得られた。
[Principle of crystal growth / leakage current and summary of experimental results]
FIG. 6 is a phase diagram showing an equilibrium state of a mixture of Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 . (Quoted from Journal of Solid State Chemistry 9, 139 (1974), ACerS-NIST PHASE EQUILIBRIA DIAGRAMS Version 3.2 (2008), The American Ceramic Society, Fig. 02357). This phase diagram shows the solid phase BiFeO 3 in the temperature range of 930 ° C. to 785 ° C. when the ratio R of the total Fe 2 O 3 in the liquid phase is 10 mol% ≦ R ≦ 30 mol%. Indicates that it can coexist with the liquid phase and produce BiFeO 3 in the solid phase. Therefore, if an R flux (melting agent) in this range is used, the melting zone can be formed stably. When R> 30 mol%, Bi 2 Fe 4 O 9 in the solid phase or a compound (solid phase) having a larger ratio of Fe coexists with the liquid phase and is generated, so that it is not suitable for BiFeO 3 crystal growth. When R <10 mol%, the solid phase coexisting as the liquid phase is Bi 40 Fe 2 O 63 or Bi 2 O 3 , but the composition of the flux is 10 mol% ≦ R ≦ when the raw material BiFeO 3 is eluted. Since it may settle in the range of 30 mol%, it can be used for BiFeO 3 crystal growth. Actually, since the composition of the flux changes as the crystal growth proceeds, there is no problem as long as the composition of the flux to be placed can stabilize the growth at an early stage. When a single crystal was grown using this apparatus, the composition was Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 as the flux used, and the growth was performed by changing the ratio R of Fe 2 O 3 in the whole. However, when R was 0 mol%, 10 mol%, and 30 mol% in molar ratio, good crystals were obtained in all cases.

原料棒には、BiFeO3の焼結棒を用いることができる。しかしながら、焼結棒は多孔質体であり多少の融液の浸透は避けられない。溶融帯域法を用いて、通常の結晶育成よりも高速度の移動を伴って溶融・凝固させる過程により準備した原料棒の方がより高密度であり、融液の浸透を抑制でき、結晶育成に用いるのに望ましい。ここで高速度の移動とは、1.0mm/hを超える移動速度、好ましくは2.0mm/h以上、より好ましくは5.0 mm/hr以上の移動速度を意味し、実用的には、例えば、6 mm/hr、10 mm/hr等の移動速度を採用することができる。また、本発明において、高密度な原料棒とは、見かけ密度がBiFeO3真密度の80%以上(好ましくは90%以上)のものを言う。
種結晶としては、BiFeO3単結晶を用いれば育成初期から所望の結晶方位に育成でき、望ましい。しかし、多結晶体を用いたとしても、結晶粒の方向が徐々にそろえられるので、最終的には単結晶育成が可能になる。実際に多結晶体の種結晶を用いても20mm程度の長さの育成の後に育成棒は単結晶となった。
As the raw material rod, a BiFeO 3 sintered rod can be used. However, since the sintered rod is a porous body, some penetration of the melt is inevitable. Using the melting zone method, the raw material rod prepared by the process of melting and solidifying with higher speed movement than the normal crystal growth has a higher density, can suppress the penetration of the melt, and crystal growth Desirable to use. Here, high-speed movement means a movement speed exceeding 1.0 mm / h, preferably 2.0 mm / h or more, more preferably 5.0 mm / hr or more. Practically, for example, 6 mm Movement speeds such as / hr and 10 mm / hr can be employed. Further, in the present invention, the high-density raw material rod means that the apparent density is 80% or more (preferably 90% or more) of the BiFeO 3 true density.
If a BiFeO 3 single crystal is used as the seed crystal, it can be grown in a desired crystal orientation from the initial growth stage, which is desirable. However, even if a polycrystal is used, the direction of crystal grains is gradually aligned, so that single crystal growth is finally possible. Even if a polycrystalline seed crystal was actually used, the growth rod became a single crystal after the growth of about 20 mm in length.

原料及び結晶の組成とフラックスの組成が異なるために、結晶育成速度が速すぎると平衡状態を保つことができない。したがって、育成速度は所定の速度よりも遅い必要があり、遅ければ遅いほど結晶育成には良い。結晶の製造の観点からは遅い育成速度は効率が悪いため、現実的な育成速度を用いることになる。結晶育成速度を様々に変えて育成を行ったが、1.0mm/hの場合には結晶中に異相が混入するのに対し、0.5mm/hおよび0.7mm/hの場合にほぼ単相で良好な結晶が得られた。   Since the composition of the raw materials and crystals and the composition of the flux are different, the equilibrium cannot be maintained if the crystal growth rate is too high. Therefore, the growth rate needs to be slower than a predetermined rate, and the slower the growth rate, the better the crystal growth. Since a slow growth rate is not efficient from the viewpoint of crystal production, a realistic growth rate is used. The growth was carried out at various crystal growth speeds, but in the case of 1.0 mm / h, different phases were mixed in the crystal, whereas in the case of 0.5 mm / h and 0.7 mm / h, almost a single phase was good. Crystals were obtained.

酸化物に対して育成時の雰囲気中の酸素含有量は、ビスマスや鉄の価数や、酸素量の不定量比(すなわち、BiFeO3における酸素組成の化学量論比からのずれ)を変動させる要因となる。それらは化合物の安定性にも影響を与えるので、育成に適すよう雰囲気の調整が必要となる。アルゴンと酸素の種々の混合比により育成を行ったところ、酸素含有率Iが0%≦I≦ 100%の全域で異相のほぼない結晶が得られた。ただし、I= 100%の場合には多数の結晶ドメインが存在して棒全体が単結晶にはならず、結晶育成条件としてはやや劣る傾向が見られた。 The oxygen content in the atmosphere during growth relative to oxides varies the valence of bismuth and iron, and the indefinite ratio of oxygen content (ie, deviation from the stoichiometric ratio of oxygen composition in BiFeO 3 ). It becomes a factor. Since they also affect the stability of the compound, it is necessary to adjust the atmosphere to be suitable for growth. When growth was carried out with various mixing ratios of argon and oxygen, crystals having almost no heterogeneous phase were obtained in the entire region where the oxygen content I was 0% ≦ I ≦ 100%. However, when I = 100%, a large number of crystal domains existed, and the entire rod did not become a single crystal, and the crystal growth conditions tended to be slightly inferior.

漏れ電流に関しては、異相の存在と酸素量の不定量比が原因として考えられてきた。前者は導電性を(ある程度)有する異相が漏れ電流に寄与しているという考え方である。異相の存在量と漏れ電流の間には特に相関は見られなかった。後者は酸素量の不定量比によりキャリアー(電子あるいはホール)が生成されて漏れ電流に寄与しているという考え方である。育成時の雰囲気中の酸素含有量が少ないほど、すなわち結晶中の酸素含有量が少ないほど、漏れ電流が少ない傾向が見られた。このことはBiFeO3においては過剰酸素によるホールの生成が起こりやすく、雰囲気中の酸素含有量を減らしてやることにより結晶中の過剰酸素すなわちホールの生成を抑制できるという考え方によく一致する。 The leakage current has been thought to be due to the presence of a heterogeneous phase and the unquantified ratio of oxygen content. The former is the idea that a different phase having conductivity (to some extent) contributes to the leakage current. There was no particular correlation between the abundance of foreign phases and the leakage current. The latter is based on the idea that carriers (electrons or holes) are generated by an indefinite ratio of oxygen content and contribute to leakage current. There was a tendency that the smaller the oxygen content in the atmosphere during growth, that is, the smaller the oxygen content in the crystal, the smaller the leakage current. This agrees well with the idea that in BiFeO 3 , holes are likely to be generated by excess oxygen, and by reducing the oxygen content in the atmosphere, generation of excess oxygen, ie, holes, in the crystal can be suppressed.

[育成結晶の評価方法]
得られた育成結晶棒について以下の評価を行った。粉末X線回折装置((株)マック・サイエンス社製)により結晶中に含まれる物質を同定した。ラウエ写真用エックス線発生装置(理学電機(株)社製)によるラウエ写真により、結晶粒の成長具合について評価した。撮影にはイメージングプレートを用いたため、図17に見られるように残像による水平な線が現われるときがあるが、結晶評価には差し支えない。育成結晶棒から薄片を作製し、薄片の両面に銀ペーストにより電極を2端子配置し、強誘電体物性評価装置(東陽テクニカ社製)により結晶の漏れ電流を測定した。
[Growth crystal evaluation method]
The following evaluation was performed on the obtained grown crystal rod. Substances contained in the crystals were identified by a powder X-ray diffractometer (manufactured by Mac Science Co., Ltd.). The growth of crystal grains was evaluated by Laue photographs using an X-ray generator for Laue photographs (manufactured by Rigaku Corporation). Since imaging was performed using an imaging plate, a horizontal line due to an afterimage sometimes appears as shown in FIG. 17, but this does not interfere with crystal evaluation. A thin piece was prepared from the grown crystal rod, two electrodes were placed on both sides of the thin piece with silver paste, and the leakage current of the crystal was measured with a ferroelectric physical property evaluation apparatus (manufactured by Toyo Technica).

[比較例]
ランプ加熱型フローティングゾーン炉を用いた場合について比較例としてここで示す。
後述の実施例と同様な方法で原料棒とフラックス(R=0モル%)を作製し、一次溶融によって高密度の原料棒を準備する。
育成速度Vを1.0mm/h、雰囲気中の酸素含有率Iを0.2にして育成を行った。育成時の様子を図5に示す。原料棒への融液の浸透が起こり、固液境界は明瞭ではない。図7の結晶の写真からもわかるように融液が育成部分に垂れ、太さが不均一になった。育成は安定しなかった。粉末X線回折では、不純物相としてBi2Fe4O9が5%程度析出しており、育成が不安定であった結果だと考えられる。図13のラウエ写真では微細なスポットが不規則に見られ、単結晶とは言えず、微細結晶の集まりであることを示す。ランプ加熱型は所望の単結晶を製造する目的には適さない。
[Comparative example]
A case where a lamp heating type floating zone furnace is used is shown here as a comparative example.
A raw material rod and a flux (R = 0 mol%) are prepared in the same manner as in the examples described later, and a high-density raw material rod is prepared by primary melting.
The growth was performed at a growth rate V of 1.0 mm / h and an oxygen content I in the atmosphere of 0.2. FIG. 5 shows the state during the training. The melt penetrates into the raw material rod, and the solid-liquid boundary is not clear. As can be seen from the crystal photograph in FIG. 7, the melt dripped onto the growing portion, and the thickness became uneven. The breeding was not stable. In powder X-ray diffraction, about 5% of Bi 2 Fe 4 O 9 is precipitated as an impurity phase, which is considered to be the result of unstable growth. In the Laue photograph of FIG. 13, fine spots are irregularly observed, indicating that it is not a single crystal but a collection of fine crystals. The lamp heating type is not suitable for the purpose of producing a desired single crystal.

以下にレーザ加熱型フローティングゾーン炉を用いた場合についての実施例1〜5を示す。表1には、育成条件と評価結果をまとめて示す。
Examples 1 to 5 in the case of using a laser heating type floating zone furnace are shown below. Table 1 summarizes the growth conditions and the evaluation results.

[実施例1]
Fe2O3とBi2O3との割合がモル比で1:1に秤量し、乳鉢で均一な粉状になるまで磨り潰す。これをアルミナ製の容器に入れ2時間30分で720℃に立ち上げ、12時間 720℃を保持して仮焼する。そして、静水圧でラバープレスして成形し、2時間30分で720℃に立ち上げ、5時間かけて徐々に750℃にして焼結して直径6mmの丸棒にする。このようにして2本の丸棒を作製し、原料棒3と種結晶棒4として用いる。
また、Fe2O3とBi2O3との割合がモル比で0:10に(R=0モル%に)秤量し、乳鉢で均一な粉状になるまで磨り潰す。これをアルミナ製の容器に入れ650℃で12時間仮焼する。そして、静水圧でラバープレスして成形し、680℃で12時間焼結して直径6mmの丸棒にする。この丸棒を切断して、塊状の切断片をフラックス5として使用する。
本発明の結晶育成は2段階の工程で行われる。1段階目は、原料を高密度化させるために行うもので、高速度移動を伴って原料を溶融・凝固させる工程で1次溶融と呼ぶ。2段階目は、結晶育成を行うもので、2次溶融と呼ぶ。1次溶融を省くことも可能ではあるが、その場合には原料への融液の浸透がわずかに起こり、結晶育成がやや不安定になった。そこで最終的には以下のように1次溶融を省かずに行った。
先ず、1次溶融について説明する。
前記原料棒3と重量が0.55gのフラックス5を前記種結晶棒4の上端に載置する。原料棒3と上端にフラックス5が載置された種結晶棒4とは、それぞれ前記上結晶駆動軸と前記下結晶駆動軸に取り付けられる。Arが99%、O2が1%の雰囲気ガスを流量0.15〜0.17 L/minで前記石英管内に流す。レーザ出力を増加させていくと溶融帯域が作成されて安定し、最終的にはレーザ出力26.0%、レーザ電流9.82 A、上結晶駆動軸と下結晶駆動軸の移動速度はそれぞれ6 mm/hr、10 mm/hr、両駆動軸の回転速度30 rpmでBiFeO3の高密度な材料棒は安定に育成される。得られた材料棒の見かけ密度は、BiFeO3真密度の約90%であった。
次に、2次溶融について説明する。
1次溶融で育成した直径4 mmφのBiFeO3の高密度な材料棒を新たに原料棒3とし、1次溶融で使用したフラックス5の残部を削除後、新たに重量が0.47 gのフラックス5を種結晶棒4の上端に載置する。原料棒3とフラックス5が上端に載置された種結晶棒4とは、それぞれ上結晶駆動軸と下結晶駆動軸に取り付けられる。
Arが99%、O2が1%の雰囲気ガス(I=10-2)を流量0.15〜0.17 L/minで前記石英管内に流す。レーザ出力を増加させていくと溶融帯域が作成されて安定し、最終的にはレーザ出力24.3%、レーザ電流9.16 A、上結晶駆動軸と下結晶駆動軸の移動速度はそれぞれ0.4 mm/hr、0.7 mm/hr(育成速度V)、両駆動軸の回転速度30 rpmで長時間に亘り変動することなく、単結晶は安定に育成される。原料棒への融液の浸透や育成結晶への融液の垂れはほとんど見られなかった。
このように育成された単結晶棒の写真を図8に、ラウエ写真用エックス線発生装置によるラウエ写真を図14に示す。単結晶棒は切断面が平らで、へき開面が光沢を帯びる。ラウエパターンは全般的にスポットもラインもシャープな状態で結晶性が良好であることを示している。また、粉末X線回折の測定結果、Bi2O3のピークが0.4%あるのみで、ほぼBiFeO3単相の結晶棒であることが示された。
漏れ電流を測定するために、断面積0.23mm2、厚さ0.35mmの大きさに結晶を切り出し、両面に銀ペーストで電極を設置した。強誘電体物性評価装置により測定を行い、1kV/cmの電場の印加で2900μA/cm2の漏れ電流を観測した。
[Example 1]
The ratio of Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 is weighed 1: 1 by molar ratio, and ground in a mortar until uniform. This is put in an alumina container, raised to 720 ° C in 2 hours and 30 minutes, and calcined while maintaining 720 ° C for 12 hours. Then, it is molded by rubber pressing with hydrostatic pressure, raised to 720 ° C. in 2 hours and 30 minutes, and gradually sintered to 750 ° C. over 5 hours to form a round bar having a diameter of 6 mm. In this way, two round bars are produced and used as the raw material bar 3 and the seed crystal bar 4.
Further, the ratio of Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 is weighed to a molar ratio of 0:10 (R = 0 mol%) and ground in a mortar until uniform. This is put into an alumina container and calcined at 650 ° C. for 12 hours. Then, it is molded by rubber pressing under hydrostatic pressure and sintered at 680 ° C. for 12 hours to form a round bar having a diameter of 6 mm. This round bar is cut, and a lump cut piece is used as the flux 5.
The crystal growth of the present invention is performed in two steps. The first stage is performed to increase the density of the raw material, and is a process of melting and solidifying the raw material with high-speed movement and is called primary melting. The second stage is for crystal growth and is called secondary melting. Although it is possible to omit primary melting, in that case, slight penetration of the melt into the raw material occurred, and crystal growth became somewhat unstable. Therefore, the final melting was performed without omitting the primary melting as follows.
First, primary melting will be described.
The raw material rod 3 and the flux 5 having a weight of 0.55 g are placed on the upper end of the seed crystal rod 4. The raw material rod 3 and the seed crystal rod 4 on which the flux 5 is placed on the upper end are attached to the upper crystal drive shaft and the lower crystal drive shaft, respectively. An atmosphere gas of 99% Ar and 1% O 2 is flowed into the quartz tube at a flow rate of 0.15 to 0.17 L / min. As the laser output is increased, the melting zone is created and stabilized, and finally the laser output is 26.0%, the laser current is 9.82 A, the moving speed of the upper crystal drive shaft and the lower crystal drive shaft is 6 mm / hr, A high-density material rod of BiFeO 3 is stably grown at 10 mm / hr and a rotational speed of 30 rpm on both drive shafts. The apparent density of the obtained material bar was about 90% of the true density of BiFeO 3 .
Next, secondary melting will be described.
A high-density BiFeO 3 high-density material rod with a diameter of 4 mmφ grown by primary melting is newly used as the raw material rod 3, and the remainder of the flux 5 used in the primary melting is deleted, and a new flux 5 weighing 0.47 g is then added. It is placed on the upper end of the seed crystal rod 4. The raw material rod 3 and the seed crystal rod 4 on which the flux 5 is placed at the upper end are attached to the upper crystal drive shaft and the lower crystal drive shaft, respectively.
An atmosphere gas (I = 10 −2 ) containing 99% Ar and 1% O 2 is flowed into the quartz tube at a flow rate of 0.15 to 0.17 L / min. As the laser output is increased, the melting zone is created and stabilized, and finally the laser output is 24.3%, the laser current is 9.16 A, and the moving speed of the upper crystal drive shaft and the lower crystal drive shaft is 0.4 mm / hr, A single crystal is stably grown without fluctuation over a long period of time at 0.7 mm / hr (growth speed V) and a rotational speed of both drive shafts of 30 rpm. The penetration of the melt into the raw material rod and the dripping of the melt into the grown crystal were hardly observed.
A photograph of the single crystal rod grown in this way is shown in FIG. 8, and a Laue photograph by a Laue photographic X-ray generator is shown in FIG. Single crystal rods have a flat cut surface and a cleaved surface. Laue patterns generally show good crystallinity with sharp spots and lines. Further, as a result of the powder X-ray diffraction measurement, the Bi 2 O 3 peak was only 0.4%, indicating that the crystal was a BiFeO 3 single-phase crystal rod.
In order to measure the leakage current, a crystal was cut into a cross-sectional area of 0.23 mm 2 and a thickness of 0.35 mm, and electrodes were placed on both sides with silver paste. Measurement was performed with a ferroelectric physical property evaluation apparatus, and a leakage current of 2900 μA / cm 2 was observed when an electric field of 1 kV / cm was applied.

以下の実施例は実施例1と実験手順は同じであるので、実験条件や評価結果の相違点などの要点を示す。
[実施例2]
フラックス中のFe2O3の割合Rを10モル%、育成速度Vを1.0 mm/h、雰囲気中の酸素含有率Iを10-2で育成を行った。長時間安定に育成が行われた。育成結晶と原料棒の残りの写真を図9に示す。(上部が原料棒の残りで融液の浸透の形跡はほとんど見られない。その下の2本が育成結晶であり、取り出す際に途中で折れたため2本ある。)粉末X線回折では、不純物相としてBi2O3が4%程度析出している。図15に示すようにラウエパターンは全般的にスポットもラインもシャープな状態で結晶性が良好であることを示している。1kV/cmの電場の印加で20000μA/cm2の漏れ電流を観測した。
Since the experimental example below is the same as the experimental procedure in Example 1, the main points such as experimental conditions and differences in evaluation results are shown.
[Example 2]
The growth was carried out at a Fe 2 O 3 ratio R in the flux of 10 mol%, a growth rate V of 1.0 mm / h, and an oxygen content I in the atmosphere of 10 −2 . The cultivation was carried out stably for a long time. The remaining photographs of the grown crystal and the raw material bar are shown in FIG. (The upper part is the rest of the raw material rod, and there is almost no evidence of melt penetration. The two underneath are grown crystals, which are broken in the middle when taken out.) About 4% of Bi 2 O 3 is precipitated as a phase. As shown in FIG. 15, the Laue pattern generally indicates that the crystallinity is good with the spots and lines sharp. A leakage current of 20000 μA / cm 2 was observed when an electric field of 1 kV / cm was applied.

[実施例3]
フラックス中のFe2O3の割合Rを10モル%、育成速度Vを0.5mm/h、雰囲気中の酸素含有率Iを1(すなわち酸素中)で育成を行った。育成の様子を図4に示す。原料棒への融液の浸透はほとんど見られず、固液境界は明瞭であり、長時間安定に育成が行われた。育成結晶にはファセット(結晶面)が見られ、結晶配向の良いことを示唆する。育成結晶の写真を図10に示す。粉末X線回折では、不純物相としてBi2O3が1%程度析出しており、ほぼ単相のBiFeO3である。図16に示すようにラウエパターンはスポットが割れており、ほぼ配向した複数の結晶からなることを示している。1kV/cmの電場の印加で300000μA/cm2の漏れ電流を観測し、実施例の中で最大である。
[Example 3]
The growth was performed with the Fe 2 O 3 ratio R in the flux being 10 mol%, the growth rate V being 0.5 mm / h, and the oxygen content I in the atmosphere being 1 (ie, in oxygen). FIG. 4 shows the state of the training. Little penetration of the melt into the raw material rod was observed, the solid-liquid boundary was clear, and the growth was carried out stably for a long time. Facets (crystal planes) are seen in the grown crystal, suggesting good crystal orientation. A photograph of the grown crystal is shown in FIG. In powder X-ray diffraction, about 1% of Bi 2 O 3 is precipitated as an impurity phase, which is almost single-phase BiFeO 3 . As shown in FIG. 16, the Laue pattern shows that the spot is broken and consists of a plurality of substantially oriented crystals. A leakage current of 300000 μA / cm 2 was observed when an electric field of 1 kV / cm was applied, which is the largest of the examples.

[実施例4]
フラックス中のFe2O3の割合Rを10モル%、育成速度Vを0.5mm/h、雰囲気中の酸素含有率Iを10-7未満(アルゴンガスG1グレード)で育成を行った。長時間安定に育成が行われた。育成結晶の写真を図11に示す。粉末X線回折では、不純物相としてBi2O3が0.2%程度析出しており、ほぼ単相のBiFeO3である。図17に示すようにラウエパターンは全般的にスポットもラインもシャープな状態で結晶性が良好であることを示している。1kV/cmの電場の印加で1.2μA/cm2の漏れ電流を観測した。
[Example 4]
The growth was carried out at a Fe 2 O 3 ratio R of 10 mol% in the flux, a growth rate V of 0.5 mm / h, and an oxygen content I in the atmosphere of less than 10 −7 (argon gas G1 grade). The cultivation was carried out stably for a long time. A photograph of the grown crystal is shown in FIG. In powder X-ray diffraction, about 0.2% of Bi 2 O 3 is precipitated as an impurity phase, which is almost single-phase BiFeO 3 . As shown in FIG. 17, the Laue pattern generally indicates that the crystallinity is good with the spots and lines sharp. A leakage current of 1.2 μA / cm 2 was observed when an electric field of 1 kV / cm was applied.

[実施例5]
フラックス中のFe2O3の割合Rを30モル%、育成速度Vを0.5mm/h、雰囲気中の酸素含有率Iを10-4で育成を行った。長時間安定に育成が行われた。育成結晶と原料棒の残りの写真を図12に示す。(上部が原料棒の残りで融液の浸透の形跡はほとんど見られない。その下が育成結晶である。)粉末X線回折では、不純物相としてBi2O3が1%程度析出しており、ほぼ単相のBiFeO3である。図18に示すようにラウエパターンは全般的にスポットもラインもシャープな状態で結晶性が良好であることを示している。1kV/cmの電場の印加で2.6μA/cm2の漏れ電流を観測した。
[Example 5]
The growth was carried out at a Fe 2 O 3 ratio R in the flux of 30 mol%, a growth rate V of 0.5 mm / h, and an oxygen content I in the atmosphere of 10 −4 . The cultivation was carried out stably for a long time. The remaining photographs of the grown crystal and the raw material bar are shown in FIG. (The upper part is the rest of the raw material bar and there is almost no evidence of melt penetration. Below it is the grown crystal.) In powder X-ray diffraction, about 1% of Bi 2 O 3 is precipitated as an impurity phase. It is almost single-phase BiFeO 3 . As shown in FIG. 18, the Laue pattern generally indicates that the crystallinity is good with the spots and lines sharp. A leakage current of 2.6 μA / cm 2 was observed when an electric field of 1 kV / cm was applied.

以上の比較例・実施例によりBiFeO3の結晶育成に適した各種条件が明らかになった。
加熱方式については、比較例から明らかなように、ランプ方式では原料棒への融液の浸透や育成結晶への融液の垂れなどが深刻であり、安定な結晶育成は困難となり、BiFeO3の結晶の製造には適さない。レーザ方式ではこれらの問題は回避され、BiFeO3の結晶の製造に適する。特に本発明に用いたレーザ方式が最適であるが、他のレーザ方式でも良好な集光性により十分な効果があるのは言うまでもない。
原料棒については、一次溶融なしでも結晶育成は可能であるが、育成が不安定になる傾向があるので、一次溶融して高密度化した方が望ましい。種結晶としては、多結晶体でも徐々に結晶配向するため単結晶化して問題ないが、単結晶の種結晶を用いれば育成初期から所望の結晶方位に育成でき、より望ましい。
フラックスにおけるFe2O3の割合Rについては、0から30モル%の範囲であれば結晶育成が可能である。図6より、R>30モル%のときには、固相のBi2Fe4O9あるいは更にFeの比率の大きな化合物が液相と共存し、生成するため、BiFeO3の結晶育成には適さないことは明らかである。現実にはフラックスの組成は結晶の育成が進むにつれて変化し最適化されるので、Rは0から30モル%の範囲であればかまわない。
育成速度Vについては、実施例2から明らかなように、1mm/hでは早すぎて十分に相平衡が保たれずに結晶中に異相が取り込まれる傾向があるため、0.7mm/h以下にするのが望ましい。(1mm/hでも結晶配向は十分であるため、異相が問題にならない場合には、結晶育成に用いることはできる。)原理的に遅ければ遅いほど結晶育成には良いが、結晶の製造の観点からは遅い育成速度は効率が悪いため、0.7mm/hや0.5mm/hなどの現実的な育成速度を用いることになる。実施例とは上下を逆転させて、下結晶駆動軸に原料棒を取り付け、上結晶駆動軸に種結晶を取り付けて、結晶を引き上げることも可能である。
雰囲気ガス中の酸素含有率Iについては、0%から100%の全範囲で結晶育成が可能である。ただし、実施例3より明らかなように、100%の場合には結晶のドメインがそろいにくい傾向がある。
漏れ電流を軽減する方法についても明らかになった。異相の混入量と漏れ電流との間には相関は認められなかった。図19(実施例2については育成速度Vが速すぎたので除いてある)に示したように、酸素含有率Iが減少するほど漏れ電流が少ないことが明らかになった。結晶中の過剰酸素によるホールの生成が抑制され、電気伝導が減少するためと考えられる。漏れ電流を抑えるためにはIを10-2以下にするのがよく、できる限り低くするのが好ましい。
The above comparative examples and examples revealed various conditions suitable for BiFeO 3 crystal growth.
As for the heating method, as is clear from the comparative example, in the lamp method, the penetration of the melt into the raw material rod and the dripping of the melt into the grown crystal are serious, making stable crystal growth difficult, and BiFeO 3 Not suitable for the production of crystals. The laser system avoids these problems and is suitable for the production of BiFeO 3 crystals. In particular, the laser system used in the present invention is optimal, but it goes without saying that other laser systems have a sufficient effect due to good light condensing performance.
With respect to the raw material rod, crystal growth is possible without primary melting, but since growth tends to be unstable, it is desirable that the raw material rod is first melted and densified. As a seed crystal, even a polycrystal is gradually crystallized so that it can be single-crystallized without any problem. However, if a single-crystal seed crystal is used, it can be grown in a desired crystal orientation from the initial growth stage, which is more desirable.
If the ratio R of Fe 2 O 3 in the flux is in the range of 0 to 30 mol%, crystal growth is possible. As shown in FIG. 6, when R> 30 mol%, Bi 2 Fe 4 O 9 in the solid phase or a compound having a larger Fe ratio coexists with the liquid phase and is generated, and therefore, it is not suitable for BiFeO 3 crystal growth. Is clear. In reality, the flux composition changes and is optimized as the crystal grows, so R may be in the range of 0 to 30 mol%.
As is apparent from Example 2, the growth rate V is set to 0.7 mm / h or less because 1 mm / h is too early and there is a tendency that different phases are incorporated into the crystal without sufficiently maintaining the phase equilibrium. Is desirable. (Because crystal orientation is sufficient even at 1 mm / h, it can be used for crystal growth if heterogeneous phase is not a problem.) In principle, the slower the crystal growth, the better the crystal growth. Since slow growth speed is not efficient, realistic growth speeds such as 0.7 mm / h and 0.5 mm / h are used. The crystal can be pulled up by reversing the upper and lower sides of the embodiment, attaching the raw material rod to the lower crystal drive shaft, and attaching the seed crystal to the upper crystal drive shaft.
With respect to the oxygen content I in the atmospheric gas, crystal growth is possible in the entire range of 0% to 100%. However, as is clear from Example 3, in the case of 100%, there is a tendency that the crystal domains are not easily aligned.
A method for reducing leakage current has also been clarified. There was no correlation between the amount of mixed foreign phase and leakage current. As shown in FIG. 19 (excluded because the growth rate V was too high for Example 2), it became clear that the leakage current was smaller as the oxygen content I decreased. This is thought to be because the generation of holes due to excess oxygen in the crystal is suppressed and electrical conduction is reduced. In order to suppress the leakage current, I is preferably 10 −2 or less, and is preferably as low as possible.

本発明の製造方法により製造された電気磁気効果単結晶は、デバイス化が可能な高品質で大型のものとすることができ、さらに、漏れ電流も少なくすることができるので、電気磁気効果(マルチフェロイック)デバイス、強誘電デバイス、ピエゾデバイス等に用いることができる。   The electro-magnetic effect single crystal manufactured by the manufacturing method of the present invention can be made into a high-quality and large-sized one that can be made into a device, and further, the leakage current can be reduced. Ferroic) devices, ferroelectric devices, piezo devices and the like.

1−1〜1−5 ファイバカップリング式高出力半導体レーザ
2−1〜2−5 ライトパイプ
3 原料棒
4 種結晶棒
5 フラックス
6 棒状試料
7 溶融帯域
8 レーザビームスポット
9a 立ち上がり部
9b 立ち下がり部
1-1 to 1-5 Fiber coupling type high power semiconductor laser 2-1 to 2-5 Light pipe 3 Raw material rod 4 Seed crystal rod 5 Flux 6 Rod-shaped sample 7 Melting zone 8 Laser beam spot 9a Rising portion 9b Falling portion

Claims (9)

上下2つの結晶駆動軸の一方に支持されたBiFeO3の高密度な原料棒と、他方の結晶駆動軸に支持された種結晶棒と、両棒の間に載置されたフラックス(溶融剤)を用い、レーザ加熱式の溶融帯域法(フローティングゾーン法)によりフラックスを加熱して溶融帯域を形成し、酸素、不活性ガス、又は、それらの混合ガスの雰囲気下で単結晶を育成してBiFeO3単結晶棒を作製することを特徴とする電気磁気効果単結晶の製造方法。 BiFeO 3 high-density raw material rod supported on one of the upper and lower crystal drive shafts, seed crystal rod supported on the other crystal drive shaft, and flux (melting agent) placed between the two rods , A flux zone is heated by a laser heating type melting zone method (floating zone method) to form a melting zone, and a single crystal is grown in an atmosphere of oxygen, inert gas, or a mixed gas thereof to form BiFeO. 3. A method for producing an electromagnetic effect single crystal, comprising producing a single crystal rod. 前記レーザ加熱に用いるレーザ光は、径方向及び/又は軸方向の強度分布が略矩形形状であることを特徴とする請求項1に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。   2. The method for producing an electromagnetism single crystal according to claim 1, wherein the laser light used for the laser heating has a substantially rectangular shape in intensity distribution in a radial direction and / or an axial direction. 前記BiFeO3の高密度な原料棒は、
Fe2O3とBi2O3との組成比がモル比で1対1に混合焼結し棒状にして原料棒を作製する工程と、
前記原料棒と種結晶棒の間に載置されたフラックスを用いて、溶融帯域法により酸素、不活性ガス、又は、それらの混合ガスの雰囲気下で高速度移動を伴って溶融・凝固させる工程と、
を含む調製方法により調製されたものである請求項1に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
BiFeO 3 high-density raw material rod,
A step of preparing a raw material rod by mixing and sintering a composition ratio of Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 in a molar ratio of 1: 1 to 1:
A step of melting and solidifying with high-speed movement in an atmosphere of oxygen, an inert gas, or a mixed gas thereof by a melting zone method using a flux placed between the raw material rod and the seed crystal rod When,
The method for producing an electromagnetic effect single crystal according to claim 1, which is prepared by a preparation method comprising
前記フラックスは、Fe2O3とBi2O3とを原料とし、Fe2O3の原料全体に占める割合Rを
0モル%≦R≦30モル%
として焼結し塊状にする工程により調製されたものである請求項1に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
The flux uses Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 as raw materials, and the proportion R of the total amount of Fe 2 O 3 in the raw materials is
0 mol% ≤ R ≤ 30 mol%
The method for producing an electromagnetic effect single crystal according to claim 1, which is prepared by a step of sintering into a lump.
前記BiFeO3単結晶棒の育成速度Vを
V ≦1.0mm/h
としてBiFeO3単結晶を育成することを特徴とする請求項1に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
Growth rate V of the BiFeO 3 single crystal rod
V ≦ 1.0mm / h
The method for producing an electromagnetism single crystal according to claim 1, wherein a BiFeO 3 single crystal is grown as:
前記雰囲気における酸素含有率Iを
0%≦I≦100%
としてBiFeO3単結晶を育成することを特徴とする請求項1又は3に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
The oxygen content I in the atmosphere is
0% ≦ I ≦ 100%
4. The method for producing an electromagnetism single crystal according to claim 1 or 3, wherein a BiFeO 3 single crystal is grown.
前記雰囲気における酸素含有率Iを
0%≦I≦1%
として育成結晶の漏れ電流を低減することを特徴とする請求項6に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。
The oxygen content I in the atmosphere is
0% ≦ I ≦ 1%
The method for producing an electromagnetic effect single crystal according to claim 6, wherein leakage current of the grown crystal is reduced.
前記不活性ガスがアルゴンガスであることを特徴とする請求項1、3、6、7のいずれか1項に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法。   The method for producing an electromagnetism single crystal according to any one of claims 1, 3, 6, and 7, wherein the inert gas is an argon gas. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気磁気効果単結晶の製造方法によって製造されたペロブスカイト酸化物BiFeO3単結晶。 A perovskite oxide BiFeO 3 single crystal produced by the method for producing an electromagnetic effect single crystal according to claim 1.
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