JP3941454B2 - ルチル単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ルチル（ＴｉＯ2）単結晶を赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することにより、サブグレインや小傾角粒界のないルチル単結晶を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶の育成方法の一つにフローティングゾーン（ＦＺ）法があることは従来公知である。それに用いる装置の一例を図２に示す。この装置は、２個の回転楕円面鏡１０ａ，１０ｂを、それらの一方の焦点Ｆが一致するように結合した双楕円形赤外線集中加熱炉１２を備えている。両回転楕円面鏡１０ａ，１０ｂの他方の焦点Ｆａ，Ｆｂには赤外線ランプ（例えばハロゲンランプ）１４ａ，１４ｂを配置する。前記中央の焦点Ｆの位置には、相互に逆方向に回転する素材棒１６と種結晶１８との間に形成される溶融帯部２０が配置される。これらは石英ガラス等からなる赤外線透過性の円筒体２２内に位置し、素材棒１６と種結晶１８は、それぞれ回転駆動機構２４，２６に結合されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
サブグレインのないルチル（ＴｉＯ2）単結晶は、上述のような赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法により、炭酸ガス中で育成する方法が一般的であるが、低酸素分圧のために酸化チタンが蒸発して結晶育成部を覆っている石英管に付着するため石英管が失透してしまう原因となっている。
【０００４】
そして、上記石英管の失透を防ぐために、炭酸ガスを毎分2リットル以上流す必要があったが、この炭酸ガスを空気中に排出することは、地球温暖化の根源となってしまう。
【０００５】
この発明の目的は、ルチル（ＴｉＯ2）単結晶を赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することにより、サブグレインや小傾角粒界のないルチル単結晶を製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のルチル単結晶の製造方法は、ＴｉＯ 2 粉末を加圧して円柱状に成形し、１５００℃以上で１時間以上焼結させて焼結体を得たのち、赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって、酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することを特徴とするものである。
【０００７】
【０００８】
また、この発明のルチル単結晶の製造方法は、上記ＴｉＯ 2 粉末をラバープレス法による２００〜４００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形することをも特徴とするものである。
【０００９】
【００１０】
ルチル（ＴｉＯ2）は、高温では容易に酸素を欠損して酸素欠損ルチル（ＴｉＯ2-x）やそのマグネリ相（ＴｉnＯ2n-1）を生成することがサブグレインや小傾角粒界の原因となっている。加圧酸素中でルチル結晶を育成すると、酸素欠損を極力抑えて、さらにサブグレインや小傾角粒界の発生を抑えることができると考えられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明のルチル単結晶の製造方法の実施の形態について詳細に説明する。図１はこの発明のルチル単結晶の製造方法に使用する赤外線集中加熱炉の説明図である。
【００１２】
図１の装置は、４個の回転楕円面鏡１ａ，１ｂ・を、それらの一方の焦点Ｆが一致するように結合した四楕円型赤外線集中加熱炉１０１を備えている。各回転楕円面鏡１ａ，１ｂ・の他方の焦点Ｆａ，Ｆｂ・には赤外線ランプ（例えばハロゲンランプ）２ａ，２ｂ・を配置する。前記中央の焦点Ｆの位置には、相互に逆方向に回転する素材棒８と種結晶９との間に形成される溶融帯部１０２が配置される。これらは石英ガラス等からなる赤外線透過性の円筒体３内に位置し、素材棒８と種結晶９は、それぞれ回転駆動機構で駆動される上回転軸４および下回転軸５に結合されている。
【００１３】
なお上記素材棒８は、ＴｉＯ2粉末をラバープレス法による２００〜４００ＭＰａ、好ましくは３００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形し、１５００〜１８００℃で１時間以上、好ましくは６時間焼結させて得た焼結体からなっている。
【００１４】
上記円筒体３内にはその上部にガス排出口６が、またその下部にガス導入口７が連通させてあり、円筒体３内の育成雰囲気として酸素をガス導入口７から導入し、円筒体３内において一定の酸素圧を保持させるようになっている。
【００１５】
ルチル単結晶の製造に際しては、ガス導入口７から酸素を供給し、０．３ＭＰａ以上の酸素圧中でルチル原料棒の下端とルチル種結晶の上端を融解して溶融帯部を形成した後、種結晶と加熱位置を毎時３mm以上の速度で相対的に移動させることによって溶融帯部を移動させて種結晶にルチルを結晶化させて単結晶を得る。
【００１６】
【実施例】
ＴｉＯ2粉末をラバープレス法による３００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形して、空気中１６００℃で６時間焼結させた。単結晶育成には四楕円面鏡型赤外線集中加熱炉（図１）を使用し、育成雰囲気は空気中、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａと酸素圧を変化させた。また比較のために、工業的に用いられている育成条件である炭酸ガス中でも育成した。育成方向はｃ軸として、育成速度は５ｍｍ／ｈで行った。それぞれ育成した結晶を精密ワイヤーソーで０．３ｍｍ程度に切断し、両面を研磨して、偏光顕微鏡で小傾角粒界の有無を確認した。
【００１７】
参考写真１（ａ）に示すように、０．５ＭＰａ酸素加圧中で育成した結晶は、炭酸ガス中や空気中で育成した結晶と同様に濃青色を示した。ただし、長時間にわたって結晶育成を行うと、育成初期部から透明になっていく傾向があることがわかった。これは、結晶育成中に育成された酸素欠損ルチル結晶が高温部から離れて冷却される過程で酸素アニールされて酸素が導入されたためと考えられる。濃青色のルチル結晶を空気中８００℃で２４時間アニール処理を施すと、酸素欠損が除去されて参考写真１（ｂ）に示すような淡黄色になった。
【００１８】
参考写真２は、それぞれ空気中（ａ）、酸素圧が０．３ＭＰａ（ｂ）と０．５ＭＰａ（ｃ）で育成したルチル結晶の育成垂直断面の偏光顕微鏡写真である。空気中で育成した結晶には結晶全体にわたって小傾角粒界が存在していたが、０．３ＭＰａで育成を行うと小傾角粒界が結晶の外周付近のみで観察された。さらに、０．５ＭＰａ酸素圧中では、小傾角粒界が結晶中には全く確認されなかった。以上の結果から、０．３ＭＰａ以上、特に０．５ＭＰａ以上の酸素加圧が小傾角粒界の除去にきわめて効果的であることが明らかになった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明では、結晶育成時における酸化チタンの蒸発が抑えられるので結晶育成部を覆っている石英管の失透を防ぐことができる。さらに、本発明では、炭酸ガスを用いずしかも酸素を加圧するために酸素ガス消費量が非常に少ないので環境に優しいルチル単結晶製造法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のルチル単結晶の製造方法に使用する赤外線集中加熱炉の説明図である。
【図２】従来のフローティングゾーン（ＦＺ）法による単結晶の育成方法に用いる装置の一例である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 回転楕円面鏡
２ａ，２ｂ 赤外線ランプ
３ 円筒体
４ 上回転軸
５ 下回転軸
６ ガス排出口
７ ガス導入口
８ 素材棒
９ 種結晶
１０１ 四楕円型赤外線集中加熱炉
１０２ 溶融帯部
Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ 焦点
【発明の属する技術分野】
この発明は、ルチル（ＴｉＯ2）単結晶を赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することにより、サブグレインや小傾角粒界のないルチル単結晶を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶の育成方法の一つにフローティングゾーン（ＦＺ）法があることは従来公知である。それに用いる装置の一例を図２に示す。この装置は、２個の回転楕円面鏡１０ａ，１０ｂを、それらの一方の焦点Ｆが一致するように結合した双楕円形赤外線集中加熱炉１２を備えている。両回転楕円面鏡１０ａ，１０ｂの他方の焦点Ｆａ，Ｆｂには赤外線ランプ（例えばハロゲンランプ）１４ａ，１４ｂを配置する。前記中央の焦点Ｆの位置には、相互に逆方向に回転する素材棒１６と種結晶１８との間に形成される溶融帯部２０が配置される。これらは石英ガラス等からなる赤外線透過性の円筒体２２内に位置し、素材棒１６と種結晶１８は、それぞれ回転駆動機構２４，２６に結合されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
サブグレインのないルチル（ＴｉＯ2）単結晶は、上述のような赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法により、炭酸ガス中で育成する方法が一般的であるが、低酸素分圧のために酸化チタンが蒸発して結晶育成部を覆っている石英管に付着するため石英管が失透してしまう原因となっている。
【０００４】
そして、上記石英管の失透を防ぐために、炭酸ガスを毎分2リットル以上流す必要があったが、この炭酸ガスを空気中に排出することは、地球温暖化の根源となってしまう。
【０００５】
この発明の目的は、ルチル（ＴｉＯ2）単結晶を赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することにより、サブグレインや小傾角粒界のないルチル単結晶を製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のルチル単結晶の製造方法は、ＴｉＯ 2 粉末を加圧して円柱状に成形し、１５００℃以上で１時間以上焼結させて焼結体を得たのち、赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって、酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することを特徴とするものである。
【０００７】
【０００８】
また、この発明のルチル単結晶の製造方法は、上記ＴｉＯ 2 粉末をラバープレス法による２００〜４００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形することをも特徴とするものである。
【０００９】
【００１０】
ルチル（ＴｉＯ2）は、高温では容易に酸素を欠損して酸素欠損ルチル（ＴｉＯ2-x）やそのマグネリ相（ＴｉnＯ2n-1）を生成することがサブグレインや小傾角粒界の原因となっている。加圧酸素中でルチル結晶を育成すると、酸素欠損を極力抑えて、さらにサブグレインや小傾角粒界の発生を抑えることができると考えられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明のルチル単結晶の製造方法の実施の形態について詳細に説明する。図１はこの発明のルチル単結晶の製造方法に使用する赤外線集中加熱炉の説明図である。
【００１２】
図１の装置は、４個の回転楕円面鏡１ａ，１ｂ・を、それらの一方の焦点Ｆが一致するように結合した四楕円型赤外線集中加熱炉１０１を備えている。各回転楕円面鏡１ａ，１ｂ・の他方の焦点Ｆａ，Ｆｂ・には赤外線ランプ（例えばハロゲンランプ）２ａ，２ｂ・を配置する。前記中央の焦点Ｆの位置には、相互に逆方向に回転する素材棒８と種結晶９との間に形成される溶融帯部１０２が配置される。これらは石英ガラス等からなる赤外線透過性の円筒体３内に位置し、素材棒８と種結晶９は、それぞれ回転駆動機構で駆動される上回転軸４および下回転軸５に結合されている。
【００１３】
なお上記素材棒８は、ＴｉＯ2粉末をラバープレス法による２００〜４００ＭＰａ、好ましくは３００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形し、１５００〜１８００℃で１時間以上、好ましくは６時間焼結させて得た焼結体からなっている。
【００１４】
上記円筒体３内にはその上部にガス排出口６が、またその下部にガス導入口７が連通させてあり、円筒体３内の育成雰囲気として酸素をガス導入口７から導入し、円筒体３内において一定の酸素圧を保持させるようになっている。
【００１５】
ルチル単結晶の製造に際しては、ガス導入口７から酸素を供給し、０．３ＭＰａ以上の酸素圧中でルチル原料棒の下端とルチル種結晶の上端を融解して溶融帯部を形成した後、種結晶と加熱位置を毎時３mm以上の速度で相対的に移動させることによって溶融帯部を移動させて種結晶にルチルを結晶化させて単結晶を得る。
【００１６】
【実施例】
ＴｉＯ2粉末をラバープレス法による３００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形して、空気中１６００℃で６時間焼結させた。単結晶育成には四楕円面鏡型赤外線集中加熱炉（図１）を使用し、育成雰囲気は空気中、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａと酸素圧を変化させた。また比較のために、工業的に用いられている育成条件である炭酸ガス中でも育成した。育成方向はｃ軸として、育成速度は５ｍｍ／ｈで行った。それぞれ育成した結晶を精密ワイヤーソーで０．３ｍｍ程度に切断し、両面を研磨して、偏光顕微鏡で小傾角粒界の有無を確認した。
【００１７】
参考写真１（ａ）に示すように、０．５ＭＰａ酸素加圧中で育成した結晶は、炭酸ガス中や空気中で育成した結晶と同様に濃青色を示した。ただし、長時間にわたって結晶育成を行うと、育成初期部から透明になっていく傾向があることがわかった。これは、結晶育成中に育成された酸素欠損ルチル結晶が高温部から離れて冷却される過程で酸素アニールされて酸素が導入されたためと考えられる。濃青色のルチル結晶を空気中８００℃で２４時間アニール処理を施すと、酸素欠損が除去されて参考写真１（ｂ）に示すような淡黄色になった。
【００１８】
参考写真２は、それぞれ空気中（ａ）、酸素圧が０．３ＭＰａ（ｂ）と０．５ＭＰａ（ｃ）で育成したルチル結晶の育成垂直断面の偏光顕微鏡写真である。空気中で育成した結晶には結晶全体にわたって小傾角粒界が存在していたが、０．３ＭＰａで育成を行うと小傾角粒界が結晶の外周付近のみで観察された。さらに、０．５ＭＰａ酸素圧中では、小傾角粒界が結晶中には全く確認されなかった。以上の結果から、０．３ＭＰａ以上、特に０．５ＭＰａ以上の酸素加圧が小傾角粒界の除去にきわめて効果的であることが明らかになった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明では、結晶育成時における酸化チタンの蒸発が抑えられるので結晶育成部を覆っている石英管の失透を防ぐことができる。さらに、本発明では、炭酸ガスを用いずしかも酸素を加圧するために酸素ガス消費量が非常に少ないので環境に優しいルチル単結晶製造法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のルチル単結晶の製造方法に使用する赤外線集中加熱炉の説明図である。
【図２】従来のフローティングゾーン（ＦＺ）法による単結晶の育成方法に用いる装置の一例である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 回転楕円面鏡
２ａ，２ｂ 赤外線ランプ
３ 円筒体
４ 上回転軸
５ 下回転軸
６ ガス排出口
７ ガス導入口
８ 素材棒
９ 種結晶
１０１ 四楕円型赤外線集中加熱炉
１０２ 溶融帯部
Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ 焦点
Claims (2)
- ＴｉＯ 2 粉末を加圧して円柱状に成形し、１５００℃以上で１時間以上焼結させて焼結体を得たのち、赤外線集中加熱炉を用いたフローティングゾーン（ＦＺ）法によって、酸素圧０．３ＭＰａ以上の高圧酸素中で育成することを特徴とするルチル単結晶の製造方法。
- ＴｉＯ 2 粉末をラバープレス法による２００〜４００ＭＰａの静水圧中で加圧して円柱状に成形してなる請求項１に記載のルチル単結晶の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001323367A JP3941454B2 (ja) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | ルチル単結晶の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001323367A JP3941454B2 (ja) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | ルチル単結晶の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003128495A JP2003128495A (ja) | 2003-05-08 |
| JP3941454B2 true JP3941454B2 (ja) | 2007-07-04 |
Family
ID=19140264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001323367A Expired - Fee Related JP3941454B2 (ja) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | ルチル単結晶の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3941454B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105369342B (zh) * | 2015-11-25 | 2017-10-31 | 沈阳工程学院 | 一种感应加热金红石单晶体生长炉及其制备金红石方法 |
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2001
- 2001-10-22 JP JP2001323367A patent/JP3941454B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2003128495A (ja) | 2003-05-08 |
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