JP2833920B2 - Method for producing barium titanate single crystal - Google Patents

Method for producing barium titanate single crystal

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JP2833920B2 JP10823592A JP10823592A JP2833920B2 JP 2833920 B2 JP2833920 B2 JP 2833920B2 JP 10823592 A JP10823592 A JP 10823592A JP 10823592 A JP10823592 A JP 10823592A JP 2833920 B2 JP2833920 B2 JP 2833920B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は位相共役鏡、レーザー共
振器及び光学画像解析機器等の光学応用機器に使用さ
れ、高い光屈折性効果(Photorefractive Effects)を
有するチタン酸バリウム(BaTiO3)単結晶を製造
する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for optical application equipment such as a phase conjugate mirror, a laser resonator, and an optical image analyzer, and has a high photorefractive effect, such as barium titanate (BaTiO 3 ). The present invention relates to a method for producing a crystal.

【0002】[0002]

【従来の技術】BaTiO3単結晶の製造方法として、
フッ化カリウム(KF)又は塩化バリウム(BaC
2)等をフラックスとして使用するフラックス法が知
られている(J. P. Remeika et al.;J. Am. chem. So
c., 第76巻、1954年発行、第940頁)。この方法により
製造されるBaTiO3単結晶はバタフライ型結晶とい
われるものであり、最大厚さが約1mmの三角形状の薄片
である。この製造方法においては、光学応用機器に使用
可能な大型で厚さが厚いBaTiO3単結晶を製造する
ことができない。
2. Description of the Related Art As a method for producing a BaTiO 3 single crystal,
Potassium fluoride (KF) or barium chloride (BaC
l 2 ) etc. as a flux is known (JP Remeika et al .; J. Am. chem. So
c., Volume 76, 1954, p. 940). The BaTiO 3 single crystal produced by this method is called a butterfly type crystal and is a triangular flake having a maximum thickness of about 1 mm. In this manufacturing method, a large and thick BaTiO 3 single crystal usable for optical application equipment cannot be manufactured.

【0003】その後、BaTiO3組成よりも二酸化チ
タン(TiO2)が過剰な組成の原料融液を徐冷しつ
つ、種結晶(BaTiO3単結晶)にBaTiO3を晶出
させることにより、BaTiO3単結晶を製造する溶融
引き上げ法(T.S.S.G法;Top Seeded Solution Growth
法)が開発された(A. Linz et al.;J. Electro. Chem.
Soc., 60C, 1965年発行、第112頁)。
Thereafter, BaTiO 3 is crystallized in a seed crystal (BaTiO 3 single crystal) while gradually cooling a raw material melt having a composition of titanium dioxide (TiO 2 ) in excess of BaTiO 3 , thereby obtaining BaTiO 3. Melt pulling method to produce single crystal (TSSG method; Top Seeded Solution Growth)
Method was developed (A. Linz et al .; J. Electro. Chem.
Soc., 60C, 1965, p. 112).

【0004】この方法によって製造されたBaTiO3
単結晶は、その形状を所望のバルク状にすることが可能
であると共に、フラックス等からの不純物による汚染も
少ないため、フラックス法に比較して良好な光学的特性
を有している。このため、BaTiO3単結晶を光屈折
性(Photorefractive)結晶として光学応用機器に利用
するための研究が活発に行われているようになった(北
山、応用物理学会結晶工学分科会第95回研究会テキス
ト、1991年発行、第13頁)。
[0004] BaTiO 3 produced by this method
The single crystal can have a desired bulk shape and is less contaminated by impurities from the flux or the like, and thus has better optical characteristics than the flux method. For this reason, research on using BaTiO 3 single crystals as photorefractive crystals for optical application equipment has been actively conducted (Kitayama, The 95th Research Meeting of the Crystal Engineering Subcommittee of the Japan Society of Applied Physics). Association Textbook, 1991, p.13).

【0005】近時、この種の光屈折性結晶を利用する側
の分野から、BaTiO3単結晶の光屈折性効果をより
一層高めることが要望されている。このBaTiO3
結晶の光屈折性は、酸素欠損等の単結晶中の結晶欠陥、
又は単結晶中に不純物として存在する遷移金属元素等の
不純物元素の含有量に依存すると考えられている。そこ
で、従来、BaTiO3単結晶の光屈折性効果を高める
方法として、大気中で育成したBaTiO3単結晶を低
酸素分圧又は還元性雰囲気中で加熱処理する方法(P.
G.Schunemann et al.;J. Opt. Soc. Am. B. 5巻、1988
年、第1702頁)及びBaTiO3単結晶中にFe及びC
r等の遷移金属元素をドープする方法(D.Rytz et al.;
J. Opt. Soc. Am. B. 7巻、1990年、第2234頁)が提案
されている。このように、大気中で育成されたBaTi
3単結晶を低酸素分圧又は還元性雰囲気中で加熱処理
することは、単結晶中の酸素欠損をより一層増加させる
ことを目的とし、Fe及びCr等の不純物元素をドーピ
ングすることは、単結晶中の遷移金属元素含有量の増加
を目的としている。これらの方法によって製造されたB
aTiO3単結晶は、比較的大きな光屈折性効果を示
す。
[0005] Recently, from the field of utilizing this type of photorefractive crystal, it has been demanded to further enhance the photorefractive effect of BaTiO 3 single crystal. The photorefractive property of the BaTiO 3 single crystal is based on crystal defects in the single crystal such as oxygen deficiency,
Alternatively, it is considered to depend on the content of an impurity element such as a transition metal element existing as an impurity in the single crystal. Therefore, conventionally, as a method for enhancing the photorefractive effect of BaTiO 3 single crystal, a method of the BaTiO 3 single crystal grown in the atmosphere low oxygen partial pressure or heated in a reducing atmosphere (P.
G. Schunemann et al .; J. Opt. Soc. Am. B. 5, 1988
And p. 1702) and in BaTiO 3 single crystal.
doping with a transition metal element such as r (D. Rytz et al .;
J. Opt. Soc. Am. B. 7, 1990, p. 2234) has been proposed. Thus, BaTi grown in the atmosphere
Heat treatment of the O 3 single crystal in a low oxygen partial pressure or a reducing atmosphere aims to further increase oxygen vacancies in the single crystal, and doping with impurity elements such as Fe and Cr is The purpose is to increase the transition metal element content in a single crystal. B produced by these methods
The aTiO 3 single crystal shows a relatively large photorefractive effect.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来方法で製造されたBaTiO3単結晶が示す光屈折
性効果は、実用上、依然として不十分である。また、上
述した還元性雰囲気中での加熱処理及び遷移金属元素の
ドーピング量と、BaTiO3単結晶の光屈折性効果と
の関係については、いまだに不明な点が多い。このた
め、上述した従来の方法では、大きな光屈折性効果を示
すBaTiO3単結晶を安定して製造することが困難で
ある。
However, the photorefractive effect exhibited by the BaTiO 3 single crystal manufactured by the above-mentioned conventional method is still insufficient in practical use. Further, there are still many unclear points regarding the relationship between the above-described heat treatment in the reducing atmosphere and the doping amount of the transition metal element and the photorefractive effect of the BaTiO 3 single crystal. For this reason, it is difficult to stably produce a BaTiO 3 single crystal exhibiting a large photorefractive effect by the above-described conventional method.

【0007】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、優れた光屈折性効果を示すBaTiO3
結晶を安定して製造することができるチタン酸バリウム
単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for producing a barium titanate single crystal capable of stably producing a BaTiO 3 single crystal exhibiting an excellent photorefractive effect. The purpose is to do.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明に係るチタン酸バ
リウム単結晶の製造方法は、二酸化チタンとバリウムの
酸化物又は炭酸塩との混合物を出発原料とし、この混合
物を加熱して溶融させる溶融工程と、得られた融液に酸
素分圧が0.02気圧以下の育成雰囲気下でBaTiO3
種結晶を接触させた後に前記融液を徐冷して前記種結晶
表面上に単結晶を育成する育成工程と、育成後の単結晶
を加熱処理する加熱処理工程とを有することを特徴とす
る。
According to the present invention, there is provided a method for producing a barium titanate single crystal, comprising the steps of: starting from a mixture of titanium dioxide and an oxide or carbonate of barium; and heating and melting the mixture. Step and contacting a seed crystal of BaTiO 3 with the obtained melt under a growth atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.02 atm or less, then gradually cooling the melt to grow a single crystal on the surface of the seed crystal It is characterized by comprising a growing step and a heat treatment step of heating the single crystal after the growth.

【0009】[0009]

【作用】本願発明者等は、優れた光屈折性効果を示すB
aTiO3単結晶を開発するにあたり、下記(1)乃至
(5)に示す事実又は知見を基本とした。 (1)BaTiO3単結晶の光屈折性効果に寄与してい
るのは、ホールとエレクトロンから構成されているフォ
トキャリアである。 (2)BaTiO3単結晶の光屈折性効果を高めるため
には、先ず、単結晶のフォトキャリア密度を高くする必
要がある。 (3)更に、BaTiO3単結晶の光屈折性効果を支配
するフォトキャリアがホールの場合、光屈折性効果をよ
り一層高めるためには、(ホール/エレクトロン)の比
を大きくする必要がある。逆に、光屈折性効果を支配す
るフォトキャリアがエレクトロンの場合、光屈折性効果
をより大きくするためには、(ホール/エレクトロン)
の比を小さくする必要がある。 (4)フォトキャリアを構成しているホール又はエレク
トロンの種(species)となっているのは、酸素欠損等
の結晶欠陥である。従って、フォトキャリア密度を高く
して、結晶欠陥を多くするためには、従来行われてきた
大気中での育成よりも、低酸素分圧で育成することの方
が酸化物の酸素欠損が多くなるため、より効果的であ
る。 (5)更に、育成工程後に、育成雰囲気中の酸素分圧と
異なる酸素分圧下で加熱処理することは、BaTiO3
単結晶中で酸素還元反応(例えば、不純物の遷移金属元
素がMn-又はM(n-1)+等になる価数変動が生じる)が生
じる可能性があり、フォトキャリアにおける(ホール/
エレクトロン)の比を変えるために有効である。
The inventors of the present invention have proposed a method of producing B having an excellent photorefractive effect.
In developing the aTiO 3 single crystal, the facts or findings shown in the following (1) to (5) were based. (1) It is photo carriers composed of holes and electrons that contribute to the photorefractive effect of BaTiO 3 single crystal. (2) In order to enhance the photorefractive effect of BaTiO 3 single crystal, first, it is necessary to increase the photocarrier density of the single crystal. (3) Further, when the photocarrier that controls the photorefractive effect of the BaTiO 3 single crystal is a hole, it is necessary to increase the (hole / electron) ratio in order to further enhance the photorefractive effect. Conversely, if the photocarriers that govern the photorefractive effect are electrons, to increase the photorefractive effect, it is necessary to use (hole / electron)
Needs to be reduced. (4) The hole or electron species forming the photocarrier are crystal defects such as oxygen vacancies. Therefore, in order to increase the photocarrier density and increase the number of crystal defects, growing at a low oxygen partial pressure has more oxygen deficiency in the oxide than growing in the air, which has been conventionally performed. Therefore, it is more effective. (5) In addition, after the growth step, to a heat treatment at different oxygen partial pressure and the oxygen partial pressure in the growth atmosphere is, BaTiO 3
An oxygen reduction reaction (for example, a valence change in which the impurity transition metal element becomes M n− or M (n−1) + ) may occur in the single crystal, and (hole /
This is effective for changing the ratio of electrons.

【0010】以上の考え方に基づき、本願発明者等は、
二酸化チタン(TiO2)と、BaO等のバリウムの酸
化物又は炭酸塩とによって構成されている融液から、大
気中の酸素分圧よりも低い0.02気圧以下の酸素分圧の雰
囲気中で、BaTiO3単結晶を育成したところ、この
低酸素分圧下で育成した単結晶(as-grown;成長のまま
で熱処理なし)は、大気中で育成した単結晶(as-grow
n)よりも大きな光屈折性効果を示すこと、更にこれに
加えて、この光屈折性効果がホール支配であることを知
見した。この場合に、低酸素分圧下で育成した単結晶を
育成雰囲気の酸素分圧よりも高い酸素分圧下で加熱処理
すると、ホール支配の光屈折性効果がより一層高まるこ
とも見い出した。このように、本発明は育成雰囲気等の
条件を適切に設定することにより、本発明の目的を達成
したものである。
Based on the above concept, the inventors of the present application have
From a melt composed of titanium dioxide (TiO 2 ) and an oxide or carbonate of barium such as BaO, the BaTiO 3 is mixed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.02 atm or less, which is lower than the atmospheric oxygen partial pressure. When the single crystal was grown, the single crystal grown under low oxygen partial pressure (as-grown; as-grown without heat treatment) was replaced with the single crystal grown in air (as-grown).
It has been found that the photorefractive effect is larger than that of n), and that the photorefractive effect is dominated by holes. In this case, it was also found that when the single crystal grown under a low oxygen partial pressure was subjected to a heat treatment under an oxygen partial pressure higher than the oxygen partial pressure of the growth atmosphere, the hole-dominated photorefractive effect was further enhanced. Thus, the present invention has achieved the object of the present invention by appropriately setting conditions such as the growth atmosphere.

【0011】次に、本願発明の特許請求の範囲にて規定
した製造条件の限定理由について説明する。
Next, the reasons for limiting the manufacturing conditions defined in the claims of the present invention will be described.

【0012】 育成雰囲気中の酸素分圧(PO2)を
0.02気圧以下にする 0.02気圧よりも高い酸素分圧雰囲気下で育成されたBa
TiO3単結晶は、従来から製造されている大気中で育
成された単結晶と同レベルの大きさの光屈折性効果しか
示さなかった。このため、育成雰囲気中の酸素分圧は、
0.02気圧以上にすることが必要である。
[0012]Oxygen partial pressure (PO 2 ) in the growing atmosphere
0.02 atm or less Ba grown in an oxygen partial pressure atmosphere higher than 0.02 atm
TiOThreeSingle crystals are grown in the atmosphere conventionally manufactured.
Only the photorefractive effect of the same size as the formed single crystal
Not shown. For this reason, the oxygen partial pressure in the growing atmosphere is
It is necessary to make it 0.02 atmosphere or more.

【0013】 育成工程後の加熱処理雰囲気中の酸素
分圧を、育成雰囲気中の酸素分圧よりも高くすることが
好ましい 0.02気圧以下の酸素分圧下で育成されたBaTiO3
結晶(成長後;as-grown)は、ホール支配の光屈折性効
果を示す。また、育成雰囲気中の酸素分圧よりも高い酸
素分圧下でこのBaTiO3単結晶(成長後、as-grow
n)を加熱処理すると、BaTiO3単結晶中に含有して
いる不純物遷移金属元素の酸化反応(M(n-1)+→Mn+
が進行する。従って、育成雰囲気中の酸素分圧よりも高
い酸素分圧下で加熱処理されたBaTiO3単結晶(加
熱処理後)は、その成長後の(as-grown)単結晶に比較
して、(ホール/エレクトロン)比が大きくなり、ホー
ル支配の光屈折効果もより大きくなる。また、育成雰囲
気中の酸素分圧と同じ酸素分圧下で加熱処理されたBa
TiO3単結晶は、その成長後の(as-grown)単結晶に
比較して、同レベルの大きさの光屈折性効果を示した。
逆に、育成雰囲気中の酸素分圧よりも低い酸素分圧下で
加熱処理されたBaTiO3単結晶は、その成長後の(a
s-grown)単結晶に比較して、ホール支配の光屈折性効
果が小さくなった。
Oxygen in heat treatment atmosphere after growing step
The partial pressure can be higher than the oxygen partial pressure in the growing atmosphere.
BaTiO 3 single crystals grown under a preferable oxygen partial pressure of 0.02 atm or less (as-grown) show a hole-dominated photorefractive effect. In addition, the BaTiO 3 single crystal (as-grown after growing) under an oxygen partial pressure higher than the oxygen partial pressure in the growing atmosphere.
When heat treatment is performed on n), an oxidation reaction of the impurity transition metal element contained in the BaTiO 3 single crystal (M (n-1) + → M n + )
Progresses. Therefore, the BaTiO 3 single crystal (after the heat treatment) heat-treated under an oxygen partial pressure higher than the oxygen partial pressure in the growth atmosphere has a (hole / grown) single crystal as compared with the as-grown single crystal. The electron (electron) ratio increases, and the hole-dominated photorefractive effect also increases. Further, Ba heat-treated under the same oxygen partial pressure as the oxygen partial pressure in the growing atmosphere.
The TiO 3 single crystal exhibited the same level of photorefractive effect as compared to the as-grown single crystal.
Conversely, a BaTiO 3 single crystal that has been heat-treated under an oxygen partial pressure lower than the oxygen partial pressure in the growth atmosphere has a (a)
The hole-dominated photorefractive effect was smaller compared to s-grown) single crystals.

【0014】 加熱処理工程における加熱処理温度 育成工程後の加熱処理工程における加熱温度は、成長後
の(as-grown)BaTiO3単結晶中に含有されている
不純物遷移金属元素において、酸化反応の進行が可能と
なる温度とする必要がある。高温で加熱した場合には、
酸化反応が短時間で進行するが、加熱処理後の冷却過程
で単結晶にクラック等の欠陥が生じ易くなる。一方、低
温で加熱した場合には、冷却過程でのクラック等の欠陥
が発生する可能性は小さくなるものの、酸化反応を進行
させるための加熱処理時間を長くする必要がある。この
ため、好ましい加熱温度は、600乃至1250℃であり、こ
の場合には、加熱時間は1乃至24時間である。
[0014] The heating temperature in the heat treatment step after the heat treatment temperature growth step in the heat treatment step, in the growth after the (as-grown) BaTiO 3 impurity transition metal elements contained in the single crystal, the progress of the oxidation reaction It is necessary to set the temperature at which the temperature becomes possible. If heated at high temperature,
Although the oxidation reaction proceeds in a short time, defects such as cracks are likely to occur in the single crystal in a cooling process after the heat treatment. On the other hand, when heating is performed at a low temperature, the possibility of occurrence of defects such as cracks during the cooling process is reduced, but it is necessary to lengthen the heat treatment time for promoting the oxidation reaction. For this reason, the preferable heating temperature is 600 to 1250 ° C., and in this case, the heating time is 1 to 24 hours.

【0015】 V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及
びCuからなる遷移金属元素群から選択された少なくと
も1種の元素の含有量が総量で2ppm以上 育成時に生じる結晶欠陥と、加熱処理時の酸化還元反応
に対し、遷移金属元素は重要な役割を果たし、BaTi
3単結晶が示す光屈折性効果に対して大きな影響を及
ぼす。従って、BaTiO3単結晶中に一定量以上の遷
移金属元素を含有させることがより一層光屈折性効果を
高めるため好ましい。
V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and
At least selected from the group of transition metal elements consisting of
In addition , the transition metal element plays an important role in the crystal defects generated during the growth in which the total content of one element is 2 ppm or more and the oxidation-reduction reaction during the heat treatment.
This has a great effect on the photorefractive effect exhibited by the O 3 single crystal. Therefore, it is preferable to include a certain amount or more of the transition metal element in the BaTiO 3 single crystal in order to further enhance the photorefractive effect.

【0016】通常入手できる出発原料の育成融液中に、
上記遷移金属元素を2ppm以上含有した場合、本発明方法
によって製造されたBaTiO3単結晶は、より一層高
い光屈折性効果を示す。
In the growing melt of the starting material which is usually available,
When the transition metal element is contained in an amount of 2 ppm or more, the BaTiO 3 single crystal produced by the method of the present invention exhibits a higher photorefractive effect.

【0017】[0017]

【実施例】次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明においては、先ず、二酸化チタンとバリウムの酸
化物又は炭酸塩との混合物を出発原料とし、この混合物
を1330℃以上の温度に加熱して溶融させる。図1はBa
O−TiO2系相平衡状態図である(D. E. Rase and R.
Roy; J. Am. Ceram., 38巻, 110頁, 1955年)。この状
態図に示されているように、1330℃以上でないと、融液
を安定して得ることができない。
Next, the present invention will be described in more detail.
In the present invention, first, a mixture of titanium dioxide and barium oxide or carbonate is used as a starting material, and this mixture is heated to a temperature of 1330 ° C. or higher to be melted. FIG. 1 shows Ba
FIG. 3 is an O-TiO 2 phase equilibrium phase diagram (DE Rase and R.
Roy; J. Am. Ceram., 38, 110, 1955). As shown in this state diagram, the melt cannot be obtained stably unless the temperature is 1330 ° C. or higher.

【0018】更に、TiO2:BaO=1:1の組成の
融液からは、六方晶が育成されるため、正方晶を得るた
めにはTiO2が過剰組成の融液とする必要がある。次
いで、得られた融液にBaTiO3の種結晶を接触させ
た後、前記融液を徐冷して前記種結晶の表面上に単結晶
を育成する。
Further, since a hexagonal crystal is grown from a melt having a composition of TiO 2 : BaO = 1: 1, it is necessary to use a melt having an excess composition of TiO 2 to obtain a tetragonal crystal. Next, after a seed crystal of BaTiO 3 is brought into contact with the obtained melt, the melt is gradually cooled to grow a single crystal on the surface of the seed crystal.

【0019】次に、このBaTiO3単結晶(チタン酸
バリウム単結晶)の育成装置について説明する。図2は
この育成装置を示す断面図である。断熱材3にはその上
面中央から下面に向けて鉛直方向に貫通した加熱空間が
設けられており、この加熱空間の周囲にはヒータ2が断
熱材3に埋め込まれて配設されている。また、断熱材3
にはその上面の周縁部の適所から前記加熱空間の上下方
向略中央部に到達する観察用窓5が設けられており、こ
の窓5を介して単結晶の育成状況を観察できるようにな
っている。
Next, an apparatus for growing this BaTiO 3 single crystal (barium titanate single crystal) will be described. FIG. 2 is a sectional view showing the growing apparatus. The heat insulating material 3 is provided with a heating space vertically penetrating from the center of the upper surface to the lower surface, and the heater 2 is embedded in the heat insulating material 3 around the heating space. Insulation material 3
Is provided with an observation window 5 that reaches a substantially central portion in the vertical direction of the heating space from an appropriate position on the peripheral portion of the upper surface thereof, and through this window 5, the growth state of the single crystal can be observed. I have.

【0020】断熱材3の加熱空間の下端近傍にはステー
ジ12が配設されており、このステージ12上にはマッ
フル10が断熱材3の加熱空間を挿通するようにして配
置されている。このマッフル10は石英ガラス等からな
る有底筒状の容器であり、その上端が石英ガラス等から
なる蓋11により閉塞されている。また、蓋11の縁部
にはガス送風口4が設けられており、マッフル10の底
部にはガス取出口14が設けられていて、このガス送風
口4及びガス取出口14を介してマッフル10内の単結
晶の育成雰囲気を調整するようになっている。
A stage 12 is provided near the lower end of the heating space of the heat insulating material 3, and a muffle 10 is arranged on the stage 12 so as to pass through the heating space of the heat insulating material 3. This muffle 10 is a bottomed cylindrical container made of quartz glass or the like, and its upper end is closed by a lid 11 made of quartz glass or the like. A gas outlet 4 is provided at the edge of the lid 11, and a gas outlet 14 is provided at the bottom of the muffle 10. The gas outlet 4 is provided through the gas outlet 4 and the gas outlet 14. The atmosphere for growing the single crystal therein is adjusted.

【0021】マッフル10内には、テーブル13が配置
されており、このテーブル13上には、原料融液6が貯
留されるるつぼ1が載置されるようになっている。ま
た、蓋11の中央には、種棒8が挿通する孔が設けられ
ており、種棒8の下半部はこの蓋11に設けられた孔を
介してマッフル10内のるつぼ1の直上域に位置され
る。種棒8は内管及び外管からなる2重管であり、その
上端部は上昇・下降ヘッド9に固定されている。そし
て、この種棒8には、外系から内管内に冷却ガスが供給
されるようになっており、この冷却ガスは内管を通流し
た後、その下端から外管と内管との間隙に入り、この間
隙を通流して外管の上部に設けたガス排気口8aから排
出される。これにより、種棒8が冷却されるようになっ
ている。
A table 13 is arranged in the muffle 10, and the crucible 1 in which the raw material melt 6 is stored is placed on the table 13. A hole through which the seed rod 8 is inserted is provided at the center of the lid 11, and the lower half of the seed rod 8 is directly above the crucible 1 in the muffle 10 through the hole provided in the lid 11. Is located. The seed rod 8 is a double pipe composed of an inner pipe and an outer pipe, and the upper end thereof is fixed to an ascending / descending head 9. Cooling gas is supplied to the seed rod 8 from the outer system into the inner pipe. After flowing through the inner pipe, the cooling gas flows from the lower end to the gap between the outer pipe and the inner pipe. And is discharged through a gas exhaust port 8a provided in the upper part of the outer tube through this gap. Thereby, the seed rod 8 is cooled.

【0022】上昇・下降ヘッド9は駆動装置(図示せ
ず)により上下駆動し、このヘッド9の昇降に伴って種
棒8が上昇又は下降移動するようになっている。種棒8
の下端部には種結晶取付部が設けられており、この取付
部に種結晶7を取り付けるようになっている。
The ascending / descending head 9 is driven up and down by a driving device (not shown), and the seed rod 8 moves up or down as the head 9 moves up and down. Seed stick 8
Is provided with a seed crystal attaching portion at the lower end thereof, and the seed crystal 7 is attached to this attaching portion.

【0023】次に、上述の如く構成された育成装置を使
用して本発明の実施例及び比較例に係るBaTiO3
結晶を製造し、その特性を比較した結果について説明す
る。下記表1は、各実施例及び比較例の出発原料である
融液中の遷移金属元素含有量を示す。この含有量は融液
を室温まで冷却した後、サンプリングして質量分析によ
り測定した。なお、表1において、NDは、検出限界以
下の場合である。
Next, BaTiO 3 single crystals according to Examples and Comparative Examples of the present invention were manufactured using the growing apparatus configured as described above, and the results of comparing the characteristics thereof will be described. Table 1 below shows the content of transition metal elements in the melts, which are the starting materials of the examples and comparative examples. This content was measured by cooling the melt to room temperature, sampling, and then performing mass spectrometry. In addition, in Table 1, ND is a case where it is below the detection limit.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】次に、各実施例及び比較例の製造条件につ
いて説明する。
Next, the manufacturing conditions of each of the examples and comparative examples will be described.

【0026】実施例1 先ず、TiO2粉末とBaCO3粉末とを65:35のモル比
になるように混合し、更に表1の実施例1欄に示す遷移
金属元素を添加し、得られた混合粉を出発原料とした。
次に、この原料粉末をるつぼ1内に装入し、このるつぼ
1をマッフル10内に配置した。そして、ヒータ2によ
り加熱して原料粉末を溶融させることにより原料融液6
を得た。この原料融液6はヒータ2により加熱して1400
℃の温度に維持した。
Example 1 First, a TiO 2 powder and a BaCO 3 powder were mixed in a molar ratio of 65:35, and further, a transition metal element shown in the column of Example 1 in Table 1 was added to obtain a mixture. The mixed powder was used as a starting material.
Next, the raw material powder was charged into the crucible 1, and the crucible 1 was placed in the muffle 10. Then, the raw material powder is melted by heating by the heater 2 to thereby obtain the raw material melt 6.
I got The raw material melt 6 is heated by the heater 2 to 1400
Maintained at a temperature of ° C.

【0027】次に、種棒8の下端部にチタン酸バリウム
(BaTiO3)の種結晶7を取り付けた。その後、上
昇・下降ヘッド9を下降させて種結晶7を融液6に接触
させた。そして、融液6の温度を5℃/時の速度で下降
させ、種結晶7の表面上に結晶が晶出してくるのを確認
した後、融液6の温度下降速度を0.3℃/時に変更し、
種棒8を0.4mm/時の速度で上昇させた。
Next, barium titanate (BaTiO 3 ) seed crystal 7 was attached to the lower end of seed rod 8. Thereafter, the ascending / descending head 9 was lowered to bring the seed crystal 7 into contact with the melt 6. Then, the temperature of the melt 6 is lowered at a rate of 5 ° C./hour, and after confirming that crystals are crystallized on the surface of the seed crystal 7, the temperature lowering rate of the melt 6 is changed to 0.3 ° C./hour. And
The seed rod 8 was raised at a speed of 0.4 mm / hour.

【0028】なお、結晶育成中はガス送風口4からマッ
フル10内にアルゴンガスを供給し、ガス取出口14か
ら採取したガスの酸素分圧(PO2)をジルコニア限界電
流式酸素分析計を使用して測定した。その結果、育成雰
囲気の酸素分圧は0.01気圧であった。育成後の結晶は、
大気圧中、1200℃で24時間の加熱処理を行った。
During crystal growth, an argon gas is supplied into the muffle 10 from the gas vent 4 and the oxygen partial pressure (P O2 ) of the gas collected from the gas outlet 14 is measured using a zirconia limiting current type oxygen analyzer. And measured. As a result, the oxygen partial pressure of the growing atmosphere was 0.01 atm. The crystal after growth is
Heat treatment was performed at 1200 ° C. for 24 hours under atmospheric pressure.

【0029】その後、加熱処理後のBaTiO3単結晶
を(100)面又は(001)面に沿って6面体に切断
し、この全ての面を鏡面研磨した。その後、単分域化処
理を施すことにより、1辺が3.5mmの立方形のBaTi
3単結晶を得た。
Thereafter, the BaTiO 3 single crystal after the heat treatment was cut into hexahedrons along the (100) plane or the (001) plane, and all the planes were mirror-polished. After that, a cubic BaTi having a side of 3.5 mm is formed by performing a single domaining process.
O 3 single crystal was obtained.

【0030】実施例2 表1に示すように遷移金属元素の総含有量が2ppmの出発
原料粉を使用したこと以外は、実施例1と同様にしてB
aTiO3単結晶を製造した。
Example 2 As shown in Table 1, except that a starting material powder having a total content of transition metal elements of 2 ppm was used, B
An aTiO 3 single crystal was produced.

【0031】実施例3 育成雰囲気の酸素分圧を0.02気圧としたこと以外は、実
施例1と同様にしてBaTiO3単結晶を得た。
Example 3 A BaTiO 3 single crystal was obtained in the same manner as in Example 1 except that the oxygen partial pressure in the growth atmosphere was changed to 0.02 atm.

【0032】実施例4 育成後の加熱処理工程において、その加熱雰囲気をアル
ゴンガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気とし、酸素ガス
の分圧を0.1気圧に制限したこと以外は実施例1と同様
にしてBaTiO3単結晶を製造した。
Example 4 In the heat treatment step after growing, the same procedure as in Example 1 was performed except that the heating atmosphere was a mixed gas atmosphere of argon gas and oxygen gas, and the partial pressure of oxygen gas was limited to 0.1 atm. Thus, a BaTiO 3 single crystal was produced.

【0033】実施例5 育成後の加熱処理工程において、その加熱温度を600℃
としたこと以外は実施例1と同様にしてBaTiO3
結晶を製造した。
Example 5 In the heat treatment step after growing, the heating temperature was set to 600 ° C.
A BaTiO 3 single crystal was produced in the same manner as in Example 1, except that

【0034】実施例6 育成後の加熱処理を行わないこと以外は実施例1と同様
にしてBaTiO3単結晶を製造した。
Example 6 A BaTiO 3 single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment after growth was not performed.

【0035】比較例1 育成雰囲気を大気としたこと以外は、実施例2と同様に
してBaTiO3単結晶を製造した。
Comparative Example 1 A BaTiO 3 single crystal was produced in the same manner as in Example 2 except that the growth atmosphere was air.

【0036】比較例2 育成雰囲気を大気としたこと以外は、実施例1と同様に
してBaTiO3単結晶を製造した。
Comparative Example 2 A BaTiO 3 single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the growth atmosphere was air.

【0037】比較例3 育成雰囲気の酸素分圧を0.1気圧としたこと以外は、実
施例1と同様にしてBaTiO3単結晶を製造した。
Comparative Example 3 A BaTiO 3 single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxygen partial pressure of the growing atmosphere was changed to 0.1 atm.

【0038】比較例4 育成後の加熱雰囲気中の酸素分圧を0.01気圧としたこと
以外は、実施例4と同様にしてBaTiO3単結晶を製
造した。
Comparative Example 4 A BaTiO 3 single crystal was produced in the same manner as in Example 4 except that the oxygen partial pressure in the heating atmosphere after the growth was set to 0.01 atm.

【0039】次に、以下に説明する二光波混合実験によ
り、各実施例及び比較例のBaTiO3単結晶の光屈折
効果を測定した。図3は二光波混合実験を示す模式図で
ある。長さがLであるチタン酸バリウム単結晶21は、
その分極の方向を矢印26の方向に向けて配置される。
そして、コヒーレント(干渉性)であって、波長が514.
5nmである2本のレーザ光22,23は、分極の方向と
垂直の方向に対してθの角度をなしてBaTiO3単結
晶21に入射される。レーザ光24,25はBaTiO
3単結晶21を通過した光である。ここで、レーザ光2
3の強度はレーザ光22の強度の例えば約100倍であ
り、レーザ光22,23はS偏光である。
Next, the photorefractive effect of the BaTiO 3 single crystals of each of the examples and comparative examples was measured by a two-wave mixing experiment described below. FIG. 3 is a schematic diagram showing a two-wave mixing experiment. The barium titanate single crystal 21 having a length L is
The polarization direction is arranged in the direction of arrow 26.
And it is coherent (coherence) and the wavelength is 514.
The two laser beams 22 and 23 of 5 nm are incident on the BaTiO 3 single crystal 21 at an angle θ with respect to a direction perpendicular to the direction of polarization. The laser beams 24 and 25 are BaTiO
3 Light that has passed through the single crystal 21. Here, laser light 2
The intensity of 3 is, for example, about 100 times the intensity of the laser beam 22, and the laser beams 22, 23 are S-polarized.

【0040】そして、レーザ光23を照射したときのレ
ーザ光24の強度I24及びレーザ光23の照射を停止し
たときのレーザ光24の強度I′24を測定し、この測定
値及び単結晶21の長さLから、下記数式1に示す増幅
係数Γを求めた。
Then, the intensity I 24 of the laser beam 24 when the laser beam 23 is irradiated and the intensity I ′ 24 of the laser beam 24 when the irradiation of the laser beam 23 is stopped are measured. From the length L, an amplification coefficient に shown in the following equation 1 was obtained.

【0041】[0041]

【数1】Γ=In(I24/I′24)/LΓ = In (I 24 / I ′ 24 ) / L

【0042】また、レーザ光22,23の入射角度θを
31°に固定し、格子間隔Λgが0.5μm(Λg=λ/2
sinθ=514.5nm/2sin31°)のときの増幅係数Γを求め
た。この増幅係数Γの値が大きい結晶ほど、光屈折効果
が大きい。
The incident angle θ of the laser beams 22 and 23 is fixed at 31 °, and the lattice spacing Δg is 0.5 μm (Δg = λ / 2).
The amplification coefficient と き when sin θ = 514.5 nm / 2 sin 31 °) was obtained. The larger the value of the amplification coefficient Γ, the greater the photorefractive effect.

【0043】下記表2は二光波混合実験による増幅係数
Γの測定結果を示す。また、実施例1乃至6及び比較例
1乃至3はホール支配の光屈折効果を示した。一方、比
較例4は電子支配の光屈折効果を示した。
Table 2 below shows the measurement results of the amplification coefficient Γ by the two-wave mixing experiment. Further, Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 showed a hole-dominated photorefractive effect. On the other hand, Comparative Example 4 showed an electron dominated photorefractive effect.

【0044】[0044]

【表2】 [Table 2]

【0045】この表2から分かるように、この二光波混
合実験から、次のことが確認できた。先ず、実施例1と
比較例2の比較から、従来のように大気中で育成したB
aTiO3単結晶よりも本発明方法により還元性雰囲気
下で育成したBaTiO3単結晶の方が光屈折効果が大
きい。また、実施例1と実施例6、及び実施例4と比較
例4の比較から、育成後の加熱雰囲気の酸素分圧条件
を、本発明の請求項3に規定したように設定すれば、ホ
ール支配の光屈折効果が増大する。更に、実施例2と比
較例2との比較から、遷移金属元素の含有量が2ppm以上
であれば、本発明方法による効果を得ることができる。
As can be seen from Table 2, the following can be confirmed from the two-wave mixing experiment. First, a comparison between Example 1 and Comparative Example 2 shows that B grown in the air as in the prior art was used.
The BaTiO 3 single crystal grown under a reducing atmosphere by the method of the present invention has a larger photorefractive effect than the aTiO 3 single crystal. Also, from the comparison between Example 1 and Example 6, and Example 4 and Comparative Example 4, if the oxygen partial pressure condition of the heating atmosphere after the growth is set as defined in claim 3 of the present invention, the hole is obtained. The dominant photorefractive effect increases. Further, from the comparison between Example 2 and Comparative Example 2, if the content of the transition metal element is 2 ppm or more, the effect of the method of the present invention can be obtained.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明によれば、ホール支配の大きな光
屈折効果を示すBaTiO3単結晶を製造することがで
きる。
According to the present invention, it is possible to manufacture a BaTiO 3 single crystal exhibiting a photorefractive effect in which holes are dominant.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】BaO−TiO2系平衡状態図である。FIG. 1 is an equilibrium diagram of a BaO—TiO 2 system.

【図2】本実施例にて使用する単結晶育成装置を示す断
面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a single crystal growing apparatus used in the present embodiment.

【図3】二光波長混合実験を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a two-wavelength mixing experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;るつぼ 2;ヒータ 3;断熱材 4;ガス送風口 5;観察用窓 6;融液 7;種結晶 10;マッフル 11;BaTiO3 1; crucible 2; heater 3; heat insulating material 4; gas blowing port 5; observation window 6; melt 7; seed crystal 10; muffle 11; BaTiO 3

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01S 3/18 H01S 3/08 (72)発明者 味村 彰治 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 冨永 晴夫 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−97592(JP,A) 特開 平4−325498(JP,A) 特開 平4−305097(JP,A) 特開 平4−300297(JP,A) 特公 昭39−4979(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01S 3/18 H01S 3/08 (72) Inventor Shoji Ajimura 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Electric Wire Co., Ltd. (72) Inventor Haruo Tominaga 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Inside Fujikura Electric Wire Co., Ltd. (56) References JP-A-5-97592 (JP, A) JP-A-4-325498 (JP, A) JP-A-4-305097 (JP, A) JP-A-4-300297 (JP, A) JP-B-39-4979 (JP, B1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C30B 1/00-35/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 二酸化チタンとバリウムの酸化物又は炭
酸塩との混合物を出発原料とし、この混合物を加熱して
溶融させる溶融工程と、得られた融液に酸素分圧が0.02
気圧以下の育成雰囲気下でBaTiO3の種結晶を接触
させた後に前記融液を徐冷して前記種結晶表面上に単結
晶を育成する育成工程と、育成後の単結晶を加熱処理す
る加熱処理工程とを有することを特徴とするチタン酸バ
リウム単結晶の製造方法。
1. A melting step in which a mixture of titanium dioxide and an oxide or carbonate of barium is used as a starting material, and the mixture is heated and melted.
A step of growing a single crystal on the surface of the seed crystal by gradually cooling the melt after bringing the seed crystal of BaTiO 3 into contact with the seed crystal in a growth atmosphere at a pressure of not more than the atmospheric pressure, and heating to heat-treat the single crystal after the growth. And a process for producing a barium titanate single crystal.
【請求項2】 前記加熱処理工程は、加熱処理雰囲気中
の酸素分圧が、育成工程における単結晶育成雰囲気中の
酸素分圧よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の
チタン酸バリウム単結晶の製造方法。
2. The barium titanate according to claim 1, wherein in the heat treatment step, an oxygen partial pressure in a heat treatment atmosphere is higher than an oxygen partial pressure in a single crystal growth atmosphere in the growth step. Single crystal production method.
【請求項3】 前記融液はV,Cr,Mn,Fe,C
o,Ni及びCuからなる群から選択された1種又は2
種以上の遷移金属元素を総含有量で2ppm以上含有するこ
とを特徴とする請求項1又は2に記載のチタン酸バリウ
ム単結晶の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the melt is V, Cr, Mn, Fe, C
one or two selected from the group consisting of o, Ni and Cu
The method for producing a barium titanate single crystal according to claim 1 or 2, wherein the total content of the transition metal element is 2 ppm or more.
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