JP7486743B2 - Method for producing FeGa alloy single crystal - Google Patents

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Description

本発明は、鉄ガリウム合金(FeGa合金)単結晶の製造方法に関し、特に、垂直ブリッジマン法(Vertical Bridgman method、以下「VB法」と
略記する場合がある)や垂直温度勾配凝固法(Vertical Gradient Freeze method、以下「VGF法」と略記する場合がある)に代表される融液を坩堝中で固化させる、一方向凝固結晶成長法により形成された超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing an iron-gallium alloy (FeGa alloy) single crystal, and in particular to a method for producing an FeGa alloy single crystal having giant magnetostrictive properties formed by a unidirectional solidification crystal growth method in which a melt, such as a vertical Bridgman method (hereinafter sometimes abbreviated as "VB method") or a vertical gradient freeze method (hereinafter sometimes abbreviated as "VGF method"), is solidified in a crucible.

FeGa合金は、機械加工が可能であり、100~350ppm程度の大きな磁歪を示すため、磁歪式振動発電やアクチュエータ等に用いられる素材として好適であり、近年、注目されている。 FeGa alloys can be machined and exhibit large magnetostriction of about 100 to 350 ppm, making them suitable as materials for magnetostrictive vibration power generation and actuators, and have been attracting attention in recent years.

さらに、FeGa合金は、結晶の特定方位に大きな磁気歪みを現出させることができるため、磁歪部材の磁歪を必要とする方向と結晶の磁気歪みが最大となる方位を一致させた単結晶の部材としての用途が最適であると考えられる。 Furthermore, since FeGa alloys can exhibit large magnetostriction in a specific crystal orientation, it is believed that their best application is as a single crystal component in which the direction in which magnetostriction is required matches the direction in which the crystal magnetostriction is at its maximum.

FeGa合金の多結晶の製造方法においては、粉末冶金法や、急冷凝固法(例えば、特許文献1)、液体急冷凝固法により製造した薄片状や粉末状の原料を加圧焼結して製造する方法(例えば、特許文献2)などが提案されている。しかし、これらの種々の製造方法は、いずれも部材内は単結晶にならず多結晶となり、部材内の全ての結晶方位を磁気歪みが最大となる方位に一致させることは不可能で、単結晶の部材より磁歪特性が劣る。 Manufacturing methods for FeGa alloy polycrystals include powder metallurgy, rapid solidification (e.g., Patent Document 1), and a method of pressurizing and sintering a flake or powdered raw material produced by liquid rapid solidification (e.g., Patent Document 2). However, all of these manufacturing methods result in a polycrystalline material rather than a single crystal, and it is impossible to match all the crystal orientations in the material with the orientation that maximizes magnetostriction, resulting in inferior magnetostriction properties to single crystal materials.

一方で、単結晶の製造には、引き上げ法がある。例えば、特許文献3には、引き上げ法(チョクラルスキー法)による単結晶の育成方法が記載されている。しかしながら、この方法は、高周波誘導加熱方式により原料融解を行うため、電源コストが高くなる。また、装置構成が複雑であり、装置コストが高いため、引き上げ法では結果的に製造コストが高くなってしまう。 On the other hand, there is a method for producing single crystals, the pulling method. For example, Patent Document 3 describes a method for growing single crystals using the pulling method (Czochralski method). However, this method requires high power costs because the raw material is melted using high-frequency induction heating. In addition, the equipment configuration is complex and the equipment costs are high, so the pulling method ultimately results in high manufacturing costs.

特許第4053328号公報Japanese Patent No. 4053328 特許第4814085号公報Japanese Patent No. 4814085 特開2016-28831号公報JP 2016-28831 A

このように、特許文献1~3に記載の従来の方法では、鉄ガリウム合金の単結晶を廉価かつ大量に製造することは困難である。 As such, it is difficult to mass-produce single crystals of iron-gallium alloys at low cost using the conventional methods described in Patent Documents 1 to 3.

これらと比較し、VB法やVGF法に代表される、融液を坩堝中で固化させる一方向凝固結晶成長法により、超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶を廉価に製造することができる。 In comparison, FeGa alloy single crystals with giant magnetostrictive properties can be produced inexpensively using unidirectional solidification crystal growth methods, such as the VB method and VGF method, in which a melt is solidified in a crucible.

FeGa合金単結晶の磁歪量は結晶組成に依存するため、FeGa合金単結晶を製造する場合には、単結晶中のガリウム含有量を制御することが重要である。例えば、単結晶中のガリウム含有量が原子量%で17~19%の場合、FeGa合金単結晶は300ppm以上の高い磁歪量となる。 The magnetostriction of FeGa alloy single crystals depends on the crystal composition, so when manufacturing FeGa alloy single crystals, it is important to control the gallium content in the single crystal. For example, when the gallium content in the single crystal is 17-19% by atomic weight, the FeGa alloy single crystal will have a high magnetostriction of 300 ppm or more.

一方向凝固結晶成長法においては、種結晶の上部に鉄とガリウムの混合物を配置し、当該混合物を融解した後に、種結晶の結晶方位を引き継ぎながら融解物を種結晶側から固化する必要がある。FeGa合金は不一致溶融性結晶であり、状態図において固相線と液相線が一致せず、ガリウム含有量が原子量%で17~19%の場合には固相線と液相線との温度差が約70~80℃となり、融解物が種結晶をすべて融解してしまい、目的の結晶方位で単結晶を育成できない状態が発生することがある。更には、結晶育成における共通の課題として、育成時の固化速度を速くした場合には、多結晶化が発生しやすくなるという問題がある。 In the unidirectional solidification crystal growth method, a mixture of iron and gallium is placed on top of a seed crystal, and after the mixture is melted, the melt must be solidified from the seed crystal side while inheriting the crystal orientation of the seed crystal. FeGa alloys are incongruently meltable crystals, and the solidus and liquidus do not coincide in the phase diagram. When the gallium content is 17-19% by atomic weight, the temperature difference between the solidus and liquidus is approximately 70-80°C, and the melt melts the entire seed crystal, making it impossible to grow a single crystal in the desired crystal orientation. Furthermore, a common issue in crystal growth is that if the solidification speed during growth is increased, polycrystallization is more likely to occur.

そこで本発明は、このような事情に鑑み、一方向凝固結晶成長法を用いるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止し、かつ、安定して単結晶を育成することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供することを目的とする。 In view of these circumstances, the present invention aims to provide a method for producing FeGa alloy single crystals using a unidirectional solidification crystal growth method, which prevents all of the seed crystals from melting during crystal growth and allows stable growth of the single crystal.

上記課題を解決するため、本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、一方向凝固結晶成長法を用いるFeGa合金単結晶の製造方法であって、シーディング時における坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整する。 To solve the above problems, the method for producing FeGa alloy single crystals of the present invention is a method for producing FeGa alloy single crystals using a unidirectional solidification crystal growth method, in which the temperature in the crucible during seeding is adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient in the crucible is adjusted to be within the range of 2.5 to 5.5°C/mm.

前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を2mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を2.5℃/mm以上としてもよい。 The unidirectional solidification crystal growth method may be the vertical Bridgman method, and during the growth of the FeGa alloy single crystal, the lowering speed of the crucible may be 2 mm/hour or less, and the temperature gradient in the crucible may be 2.5°C/mm or more.

前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を5mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を3.5℃/mm以上としてもよい。 The unidirectional solidification crystal growth method may be the vertical Bridgman method, and during the growth of the FeGa alloy single crystal, the lowering speed of the crucible may be 5 mm/hour or less, and the temperature gradient in the crucible may be 3.5°C/mm or more.

前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を7.5mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を4.0℃/mm以上としてもよい。 The unidirectional solidification crystal growth method may be the vertical Bridgman method, and during the growth of the FeGa alloy single crystal, the lowering speed of the crucible may be 7.5 mm/hour or less, and the temperature gradient in the crucible may be 4.0°C/mm or more.

前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を10mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を4.5℃/mm以上としてもよい。 The unidirectional solidification crystal growth method may be the vertical Bridgman method, and during the growth of the FeGa alloy single crystal, the lowering speed of the crucible may be 10 mm/hour or less, and the temperature gradient in the crucible may be 4.5°C/mm or more.

前記温度勾配をYとし、前記降下速度をXとした時、Y≧0.247X+2.00を満たしてもよい。 When the temperature gradient is Y and the rate of descent is X, Y ≥ 0.247X + 2.00 may be satisfied.

本発明のFeGa合金単結晶の製造方法によれば、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止し、かつ、安定して単結晶を育成することができる。 The method for producing FeGa alloy single crystals of the present invention prevents all of the seed crystals from melting during crystal growth, and allows for stable growth of single crystals.

鉄ガリウム合金の単結晶を育成する育成装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a growth apparatus for growing a single crystal of an iron-gallium alloy. 種結晶中央部分での温度勾配の測定時の育成装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a growth apparatus when measuring a temperature gradient at the center of a seed crystal. 温度勾配と坩堝降下速度の関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the temperature gradient and the crucible descending speed. VB法によるFeGa合金単結晶の製造方法の各工程における単結晶育成用坩堝10と抵抗加熱ヒーター12の配置を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of a single crystal growth crucible 10 and a resistance heater 12 in each step of a method for producing a FeGa alloy single crystal by the VB method.

以下、本発明の一実施形態にかかるFeGa合金単結晶の製造方法について、図1、2に示す単結晶育成装置を参照して、より具体的に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能である。 The method for producing a FeGa alloy single crystal according to one embodiment of the present invention will be described in more detail below with reference to the single crystal growth apparatus shown in Figures 1 and 2. Note that the present invention is not limited to the following examples, and can be modified as desired without departing from the gist of the present invention.

[単結晶育成装置]
図1は、FeGa合金単結晶を育成する単結晶育成装置の概略断面図である。この図1では、単結晶育成装置100における単結晶育成用坩堝10とFeGa合金種結晶16、原料となる鉄とガリウムの混合物17との位置関係を模式的に示している。
[Single crystal growth equipment]
Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a single crystal growth apparatus for growing a FeGa alloy single crystal. Fig. 1 shows a schematic positional relationship between a crucible 10 for single crystal growth, a FeGa alloy seed crystal 16, and a mixture 17 of iron and gallium as raw materials in the single crystal growth apparatus 100.

単結晶育成装置100は、断熱材11、上段ヒーター12a、中段ヒーター12b、下段ヒーター12c、可動用ロッド13、坩堝受け14、熱電対15、真空ポンプ18および、チャンバー19を備えている。チャンバー19内の上部が高温、下部が低温となる温度分布を実現可能な構成となっており、VB法やVGF法等の一方向凝固結晶成長法により、鉄とガリウムの混合物の融解物17を坩堝10中で固化させることで、FeGa合金単結晶を育成することができる。 The single crystal growth apparatus 100 includes a heat insulating material 11, an upper heater 12a, a middle heater 12b, a lower heater 12c, a movable rod 13, a crucible receiver 14, a thermocouple 15, a vacuum pump 18, and a chamber 19. The chamber 19 is configured to realize a temperature distribution in which the upper part is hot and the lower part is cold, and a FeGa alloy single crystal can be grown by solidifying a molten mixture of iron and gallium 17 in the crucible 10 using a unidirectional solidification crystal growth method such as the VB method or the VGF method.

図1に示すように単結晶育成装置100では、断熱材11の内側にカーボン製の抵抗加熱ヒーター12が配置される。FeGa合金単結晶の育成時に、抵抗加熱ヒーター12によりホットゾーンが形成される。抵抗加熱ヒーター12は、上段ヒーター12a、中段ヒーター12bおよび下段ヒーター12cとで構成され、これらのヒーター12a~12cへの投入電力を調整することにより、ホットゾーン内の温度勾配を制御することが可能となっている。 As shown in FIG. 1, in the single crystal growth apparatus 100, a carbon resistance heater 12 is placed inside the insulating material 11. When growing an FeGa alloy single crystal, a hot zone is formed by the resistance heater 12. The resistance heater 12 is composed of an upper heater 12a, a middle heater 12b, and a lower heater 12c, and by adjusting the power input to these heaters 12a to 12c, it is possible to control the temperature gradient within the hot zone.

抵抗加熱ヒーター12の内側には、単結晶育成用坩堝10が配置され、上下方向に移動可能な可動用ロッド13が設けられた坩堝受け14(支持台)に載置されている。単結晶育成用坩堝10内の下部に、FeGa合金種結晶16が充填され、このFeGa合金種結晶16の上に、鉄とガリウムの混合物17が充填される。 A single crystal growth crucible 10 is placed inside the resistance heater 12 and placed on a crucible holder 14 (support) equipped with a movable rod 13 that can move up and down. A FeGa alloy seed crystal 16 is filled in the lower part of the single crystal growth crucible 10, and a mixture 17 of iron and gallium is filled on top of this FeGa alloy seed crystal 16.

育成炉には、チャンバー19と真空ポンプ18が設置されており、原料を真空雰囲気に調整して単結晶を育成することができる。さらに、アルゴンや窒素等の不活性ガスをチャンバー19へ導入することができ、原料を不活性雰囲気にも調整できる。 The growth furnace is equipped with a chamber 19 and a vacuum pump 18, allowing the raw material to be adjusted to a vacuum atmosphere to grow a single crystal. Furthermore, an inert gas such as argon or nitrogen can be introduced into the chamber 19, allowing the raw material to be adjusted to an inert atmosphere.

単結晶育成用坩堝10の材質は、FeGa合金単結晶と化学的反応性が低く、高融点材料であるアルミナが好ましい。また、マグネシア、熱分解窒化ホウ素(Pyrolitic Boron Nitride)でもよい。 The material of the crucible 10 for growing single crystals is preferably alumina, which has low chemical reactivity with the FeGa alloy single crystal and a high melting point. Magnesia and pyrolitic boron nitride may also be used.

上方側が開放された単結晶育成用坩堝10には、蓋を被せてもよい。単結晶育成用坩堝10は、上述したように単結晶育成装置100内で可動用ロッド13が設けられた坩堝受け14上に載置され、可動用ロッド13を上下させることにより、単結晶育成用坩堝10を育成炉内で上下させることができる。また、単結晶育成用坩堝10には、坩堝の温度をモニタリングできる熱電対15が取り付けられている。 The single crystal growth crucible 10, which is open at the top, may be covered with a lid. As described above, the single crystal growth crucible 10 is placed on a crucible receiver 14 provided with a movable rod 13 in the single crystal growth apparatus 100, and the single crystal growth crucible 10 can be moved up and down in the growth furnace by moving the movable rod 13 up and down. In addition, a thermocouple 15 is attached to the single crystal growth crucible 10 to monitor the temperature of the crucible.

[FeGa合金単結晶の製造方法]
次に、本発明の一実施形態にかかるFeGa合金単結晶の製造方法について図1、4を参照しつつ、説明する。
[Method for producing FeGa alloy single crystal]
Next, a method for producing an FeGa alloy single crystal according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶は、例えば鉄とガリウムの融解物を坩堝中で固化させて育成することができ、本発明では、VB法やVGF法に代表される、一方向凝固結晶成長法により育成することができる。 FeGa alloy single crystals with giant magnetostrictive properties can be grown, for example, by solidifying a melt of iron and gallium in a crucible, and in the present invention, they can be grown by a unidirectional solidification crystal growth method, such as the VB method or the VGF method.

VB法では、まず、単結晶育成用坩堝10の下部に主面方位が<100>方位のFeGa合金種結晶16を配置する。そして、FeGa合金種結晶16の上には、原料である鉄とガリウムの混合物17を必要量配置し(図4(a)坩堝配置工程)、その後坩堝10に適宜蓋を被せる。 In the VB method, first, an FeGa alloy seed crystal 16 with a principal plane orientation of <100> is placed at the bottom of a crucible 10 for growing single crystals. Then, a required amount of the raw material iron and gallium mixture 17 is placed on top of the FeGa alloy seed crystal 16 (Crucible placement step in FIG. 4(a)), and then the crucible 10 is appropriately covered with a lid.

次に、チャンバー19内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、チャンバー19内を不活性雰囲気に調整する。窒化ガリウム等が生成するおそれがある場合には、アルゴンガスを導入することが好ましい。チャンバー19内が不活性雰囲気となった後、単結晶育成用坩堝10を囲むように配置された上段ヒーター12a、中段ヒーター12bおよび下段ヒーター12cを作動して、昇温し、鉄とガリウムの混合物17の融解を開始する(図4(b)融解工程)。 Next, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the chamber 19 to adjust the inside of the chamber 19 to an inert atmosphere. If there is a risk of gallium nitride or the like being generated, it is preferable to introduce argon gas. After the inside of the chamber 19 becomes an inert atmosphere, the upper heater 12a, the middle heater 12b, and the lower heater 12c arranged to surround the single crystal growth crucible 10 are operated to raise the temperature and start melting the mixture 17 of iron and gallium (Melting process in FIG. 4(b)).

鉄とガリウムの混合物17がほぼ融解して融解物となったら、真空ポンプ18を作動して、チャンバー19内を減圧し、融解物中の気泡を取り除く(気泡除去工程)。 When the iron and gallium mixture 17 has almost melted and become a molten material, the vacuum pump 18 is operated to reduce the pressure inside the chamber 19 and remove any air bubbles in the molten material (air bubble removal process).

気泡除去工程後、チャンバー19内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、再びチャンバー19内を不活性雰囲気に調整した後、単結晶育成用坩堝10の内部でFeGa合金単結晶を育成する(図4(d)育成工程)。具体的には、抵抗加熱ヒーター12を用いて、FeGa合金種結晶16および融解物(鉄とガリウムの混合物17)が収納され、蓋を被せられた単結晶育成用坩堝10を、高さ方向の上方の温度が高く、下方の温度が低い温度分布となるように加熱する。この状態で、チャンバー19内の温度を、FeGa合金種結晶16が高さ方向の上半分位まで融解する位置まで可動用ロッド13を可動させて坩堝10を上昇させてシーディングを行う(図4(c)シーディング工程)。 After the bubble removal process, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the chamber 19 to adjust the chamber 19 to an inert atmosphere again, and then an FeGa alloy single crystal is grown inside the crucible 10 for single crystal growth (growth process in FIG. 4(d)). Specifically, the crucible 10 for single crystal growth, which contains the FeGa alloy seed crystal 16 and the melt (iron and gallium mixture 17) and is covered with a lid, is heated using a resistance heater 12 so that the temperature distribution is high at the top in the height direction and low at the bottom. In this state, the temperature inside the chamber 19 is changed to a position where the FeGa alloy seed crystal 16 is melted to about the upper half in the height direction by moving the movable rod 13 to raise the crucible 10, and seeding is performed (seeding process in FIG. 4(c)).

シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ単結晶育成用坩堝10内のシーディング時の温度勾配が、2.5~5.5℃/mmとなるよう、シーディング位置および抵抗加熱ヒーター12の投入電力は調整されている。 The seeding position and the power input to the resistance heater 12 are adjusted so that the temperature inside the single crystal growth crucible 10 during seeding increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient during seeding inside the single crystal growth crucible 10 is 2.5 to 5.5°C/mm.

その後、そのままのチャンバー19内の温度勾配を維持しながら、単結晶育成用坩堝10の降下速度を1~10mm/時間の範囲で設定し、一定速度で可動用ロッド13を可動させ単結晶育成用坩堝10を下降させてFeGa合金単結晶16を育成し(図4(d)育成工程)、すべての融解物を固化させる。尚、単結晶育成用坩堝10の降下速度を1mm/時間以下に設定しても単結晶の育成が可能であるが、育成期間が長くなり生産性が落ちる。結晶組成の変化を抑えるために、単結晶育成用坩堝10の降下速度は5mm/時間以上とするのがよい。 After that, while maintaining the temperature gradient in the chamber 19, the descent speed of the single crystal growth crucible 10 is set in the range of 1 to 10 mm/hour, and the movable rod 13 is moved at a constant speed to lower the single crystal growth crucible 10 to grow an FeGa alloy single crystal 16 (growth step in Figure 4(d)), and all of the melt is solidified. It is possible to grow a single crystal even if the descent speed of the single crystal growth crucible 10 is set to 1 mm/hour or less, but the growth period will be longer and productivity will decrease. In order to suppress changes in the crystal composition, it is preferable to set the descent speed of the single crystal growth crucible 10 to 5 mm/hour or more.

坩堝10の下降が終了して単結晶の育成が終了した後(図4(e))、所定速度で冷却を行ってFeGa合金単結晶を得る(冷却工程)。 After the lowering of the crucible 10 is completed and the growth of the single crystal is completed (Figure 4 (e)), the mixture is cooled at a predetermined rate to obtain a FeGa alloy single crystal (cooling process).

次に、チャンバー19内の温度が室温程度になったことを確認した後、育成された単結晶が入った単結晶育成用坩堝10を坩堝受け14から取り外し、さらに蓋を取って単結晶育成用坩堝10から育成された単結晶を取り出す。 Next, after confirming that the temperature inside the chamber 19 has reached room temperature, the single crystal growth crucible 10 containing the grown single crystal is removed from the crucible holder 14, and the lid is removed to remove the grown single crystal from the single crystal growth crucible 10.

上記では、単結晶育成装置100を用いたVB法によるFeGa合金単結晶の製造方法について説明したが、同じ単結晶育成装置100を用いて、単結晶育成中に単結晶育成用坩堝10を上下に移動させることに替えて、抵抗加熱ヒーター12を調整して温度制御するVGF法によっても、FeGa合金単結晶を製造することができる。 The above describes a method for producing FeGa alloy single crystals using the VB method with the single crystal growth apparatus 100. However, using the same single crystal growth apparatus 100, FeGa alloy single crystals can also be produced using the VGF method, in which the temperature is controlled by adjusting the resistance heater 12 instead of moving the single crystal growth crucible 10 up and down during single crystal growth.

[坩堝内の温度勾配と坩堝降下速度]
次に、本発明の一実施形態にかかる単結晶育成装置100を用いた垂直ブリッジマン法における、単結晶育成用坩堝10内の温度勾配の測定方法について図2を参照しつつ、説明する。
[Temperature gradient in the crucible and the rate of descent of the crucible]
Next, a method for measuring the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 in the vertical Bridgman method using the single crystal growth apparatus 100 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、単結晶育成装置100で単結晶育成時の温度のモニタリング用の熱電対15を取り外す。次に、側面に穴を開けた単結晶育成用坩堝10を設置する。単結晶育成用坩堝10のFeGa合金種結晶設置部分の高さ方向の半分の位置(シーディング時の固液界面)に先端が配置されるよう、熱電対50を取り付ける。なお、FeGa合金種結晶および原料である鉄とガリウムの混合物は充填しない。 First, remove the thermocouple 15 used to monitor the temperature during single crystal growth from the single crystal growth apparatus 100. Next, set up the single crystal growth crucible 10 with a hole drilled in the side. Attach the thermocouple 50 so that its tip is positioned halfway up the height of the FeGa alloy seed crystal installation portion of the single crystal growth crucible 10 (at the solid-liquid interface during seeding). Do not fill with the FeGa alloy seed crystal or the mixture of iron and gallium raw materials.

次に、チャンバー19内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、チャンバー19内を不活性雰囲気に調整する。チャンバー19内が不活性雰囲気となった後、単結晶育成用坩堝10を囲むように配置された上段ヒーター12a、中段ヒーター12bおよび下段ヒーター12cを作動して、昇温する。 Next, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the chamber 19 to adjust the inside of the chamber 19 to an inert atmosphere. After the inside of the chamber 19 becomes an inert atmosphere, the upper heater 12a, the middle heater 12b, and the lower heater 12c arranged to surround the single crystal growth crucible 10 are operated to raise the temperature.

上段ヒーター12a、中段ヒーター12bおよび下段ヒーター12cの温度を一定にして、一定速度で可動用ロッド13を上下に可動させて単結晶育成用坩堝10を上下に移動しながら、各位置での単結晶育成用坩堝10内の熱電対50の先端の温度を測定する。単結晶育成用坩堝10の移動速度が速い場合には、正確な温度が測定できないため、移動速度を例えば2~5mm/時間として測定を行う。目的のFeGa組成を、FeGa合金単結晶中のガリウム含有量が原子量%で18%とする場合は、固化温度が約1450℃であるので、熱電対50の先端の測定温度が1450℃となるときの単結晶育成用坩堝10の位置が、シーディング位置となる(図4(c))。シーディング位置で測定した単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を、FeGa合金単結晶育成時のシーディング時の温度勾配とする。 The temperature of the upper heater 12a, the middle heater 12b, and the lower heater 12c is kept constant, and the movable rod 13 is moved up and down at a constant speed to move the single crystal growth crucible 10 up and down, while measuring the temperature of the tip of the thermocouple 50 in the single crystal growth crucible 10 at each position. If the single crystal growth crucible 10 moves too fast, the temperature cannot be measured accurately, so the measurement is performed at a moving speed of, for example, 2 to 5 mm/hour. If the target FeGa composition is an FeGa alloy single crystal with a gallium content of 18% by atomic weight, the solidification temperature is about 1450°C, so the position of the single crystal growth crucible 10 when the measured temperature at the tip of the thermocouple 50 is 1450°C is the seeding position (Figure 4 (c)). The temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 measured at the seeding position is taken as the temperature gradient at the time of seeding when growing the FeGa alloy single crystal.

次に、目標の温度勾配を決める。例えば、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を3.5℃/mmに設定する場合、上段ヒーター12aの投入電力を変更して、一定速度で可動用ロッド13を上下に可動させて温度測定を行う。温度勾配を大きくする場合は、上段ヒーター12aへの投入電力を上げ、シーディング位置を下方に調整する。 Next, the target temperature gradient is determined. For example, if the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 during seeding is set to 3.5°C/mm, the power input to the upper heater 12a is changed and the movable rod 13 is moved up and down at a constant speed to measure the temperature. If the temperature gradient is to be increased, the power input to the upper heater 12a is increased and the seeding position is adjusted downward.

上記を繰り返し、単結晶育成用坩堝10内の温度勾配が2.5℃/mm以上5.5℃/mm以下となるシーディング位置および上段ヒーター12aへの投入電力を設定する。ヒーター出力上昇による消費電力の増加、および融解物上面からのガリウム蒸気の発生を抑えるために、上記温度勾配を5.5℃/mm以下とする。また、温度勾配が6.5℃/mmとなるシーディング位置を調査しようとしたが、高温のため白金ロジウム製の熱電対50が温度測定中に断線したため、中断した。 The above steps are repeated to set the seeding position and power input to the upper heater 12a such that the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 is between 2.5°C/mm and 5.5°C/mm. The temperature gradient is set to 5.5°C/mm or less to prevent an increase in power consumption due to an increase in heater output and to prevent the generation of gallium vapor from the top surface of the melt. An attempt was made to find a seeding position where the temperature gradient would be 6.5°C/mm, but the platinum-rhodium thermocouple 50 broke during temperature measurement due to the high temperature, so the experiment was discontinued.

本発明のFeGa合金単結晶の製造方法では、鉄ガリウム合金種結晶16がすべて融解することを防止できる。FeGa合金は不一致溶融性結晶のため、FeGa合金中のガリウム含有量が原子量%で18%の場合において、状態図上の固相線と液相線の温度差は約75℃となる。そのため、鉄ガリウム合金種結晶16を完全に融解させないためには、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向に75℃以上の温度差が必要になる。通常は、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向の長さを30mmにしているため、鉄ガリウム合金種結晶16を完全に融解させないためには、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向に75℃以上の温度差を設けるべく、単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.5℃/mm以上とする必要がある。 The method for producing a FeGa alloy single crystal of the present invention can prevent the iron gallium alloy seed crystal 16 from melting completely. Since the FeGa alloy is a non-uniform melting crystal, when the gallium content in the FeGa alloy is 18% by atomic weight, the temperature difference between the solidus and liquidus on the phase diagram is about 75°C. Therefore, in order to prevent the iron gallium alloy seed crystal 16 from melting completely, a temperature difference of 75°C or more is required in the vertical direction of the iron gallium alloy seed crystal 16. Since the length of the iron gallium alloy seed crystal 16 in the vertical direction is usually 30 mm, in order to prevent the iron gallium alloy seed crystal 16 from melting completely, the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 needs to be 2.5°C/mm or more in order to provide a temperature difference of 75°C or more in the vertical direction of the iron gallium alloy seed crystal 16.

なお、単結晶育成用坩堝10の降下速度を速くすることで、FeGa合金の短時間での育成が可能となるが、多結晶化する事態が発生した。単結晶育成用坩堝10の降下速度を1~10mm/時間の条件でFeGa合金を育成した場合、鉄ガリウム合金種結晶16の上部から直胴開始部の増径部で、育成結晶表面を起点として多結晶化が発生していた。多結晶化としては、結晶表面には多結晶化が見られても、結晶内部には伝搬せずに単結晶となるもの、および、結晶内部にも粒界が伝搬し、そのまま成長軸方向に沿って粒界を引き継ぎ、結晶上部まで多結晶化しているものの2つに分類された。この2つを層別したところ、単結晶育成用坩堝10内の温度勾配が高いと単結晶となり、温度勾配が低いと多結晶となることが分かった。更には、単結晶育成用坩堝10の降下速度が速いほど、より温度勾配を高く設定しないと多結晶化を防止できないことが分かった。 By increasing the descending speed of the crucible 10 for single crystal growth, it is possible to grow the FeGa alloy in a short time, but polycrystallization has occurred. When the FeGa alloy is grown under the condition of a descending speed of the crucible 10 for single crystal growth of 1 to 10 mm/hour, polycrystallization occurs from the surface of the grown crystal at the increased diameter part from the top of the iron gallium alloy seed crystal 16 to the start of the straight body. The polycrystallization is classified into two types: one in which polycrystallization is observed on the crystal surface but does not propagate to the inside of the crystal and becomes a single crystal, and one in which the grain boundary propagates to the inside of the crystal, inherits the grain boundary along the growth axis, and becomes polycrystallized up to the top of the crystal. When these two types were classified, it was found that a high temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth results in single crystals, and a low temperature gradient results in polycrystals. Furthermore, it was found that the faster the descending speed of the crucible 10 for single crystal growth is, the higher the temperature gradient must be set in order to prevent polycrystallization.

シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を高く設定することで、より広い範囲での単結晶育成用坩堝10の降下速度での単結晶育成が可能となる。しかし、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を高く設定すると、ヒーター出力が高くなる。これに伴い、融解物の蒸発量が増え、断熱材11、ヒーター12、坩堝受け14等に付着し、清掃が必要となる。融解物の蒸発量を抑えるために、単結晶育成用坩堝10に蓋を被せる方が好ましい。融解物の蒸発量は、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を6.0℃/mm以上に設定した場合に、ヒーターの出力により激しくなる。よって、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を5.5℃/mm以下とするのがよい。 By setting the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding high, it becomes possible to grow a single crystal at a wider range of descending speed of the crucible 10 for single crystal growth. However, if the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding is set high, the heater output becomes high. As a result, the amount of evaporation of the molten material increases, and it adheres to the insulation material 11, the heater 12, the crucible receiver 14, etc., and cleaning becomes necessary. In order to suppress the amount of evaporation of the molten material, it is preferable to cover the crucible 10 for single crystal growth with a lid. When the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding is set to 6.0 ° C. / mm or more, the amount of evaporation of the molten material becomes intense due to the output of the heater. Therefore, it is preferable to set the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding to 5.5 ° C. / mm or less.

図3に、後述する実施例1~5および比較例1~4より得られた結果に基づく、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配と単結晶育成用坩堝10の降下速度の関係を示す。図3から判るように、温度勾配と坩堝降下速度には相関があり、上記温度勾配をYとし、坩堝降下速度をXとした時、Y≧0.247X+2.00 を満たす実施例1~5において、良好なFeGa合金単結晶を得られたことが解る。 Figure 3 shows the relationship between the temperature gradient in the crucible 10 for growing single crystals during seeding and the descent speed of the crucible 10 for growing single crystals, based on the results obtained from Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 described below. As can be seen from Figure 3, there is a correlation between the temperature gradient and the crucible descent speed, and when the temperature gradient is Y and the crucible descent speed is X, it can be seen that good FeGa alloy single crystals were obtained in Examples 1 to 5, which satisfy Y ≥ 0.247X + 2.00.

上記では、単結晶育成装置100を用いたVB法による鉄ガリウム合金の単結晶育成方法について説明したが、同じ単結晶育成装置100を用いて、単結晶育成中に単結晶育成用坩堝10を上下に移動させることに替えて、抵抗加熱ヒーター12を調整して温度制御するVGF法によっても、鉄ガリウム合金の単結晶を育成することができる。 The above describes a method for growing single crystals of an iron-gallium alloy by the VB method using the single crystal growth apparatus 100. However, the same single crystal growth apparatus 100 can also be used to grow single crystals of an iron-gallium alloy by the VGF method, in which the temperature is controlled by adjusting the resistance heater 12 instead of moving the single crystal growth crucible 10 up and down during single crystal growth.

以下、本発明について、実施例および比較例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
まず、室温20℃の環境下で、化学量論比で鉄とガリウムの比率が82:18になるように、すなわちガリウム含有量が原子量%で18.0%となるように、メディアン径が約1mmの粒状鉄原料(純度:99.9%)とガリウム原料(純度:99.99%)を秤量した。秤量したガリウム原料をテフロン(登録商標)容器に投入し、湯煎により融解した。さらに、融解したガリウム原料へ鉄原料を投入し、容器内で攪拌を行った後、室温まで冷却し、混合原料である鉄とガリウムの混合物17を作製した。
[Example 1]
First, in an environment of room temperature 20 ° C., a granular iron raw material (purity: 99.9%) and a gallium raw material (purity: 99.99%) having a median diameter of about 1 mm were weighed so that the ratio of iron to gallium was 82:18 in the stoichiometric ratio, that is, the gallium content was 18.0% in atomic weight %. The weighed gallium raw material was put into a Teflon (registered trademark) container and melted in a hot water bath. Furthermore, the iron raw material was put into the molten gallium raw material, stirred in the container, and then cooled to room temperature to prepare a mixture 17 of iron and gallium, which is a mixed raw material.

そして、厚さ4mm、内径52mm、高さ200mmの緻密質アルミナ製の単結晶育成用坩堝10内の下部に、あらかじめガリウム含有量を調整したFeGa合金種結晶16(ガリウム含有量が原子量%で17%、直径5mmおよび長さ30mmの円柱形状)を充填し、かつ、当該FeGa合金種結晶16の上に鉄とガリウムの混合物17を充填した。このとき、FeGa合金種結晶16には、主面方位が<100>方位である結晶を使用した。 Then, a FeGa alloy seed crystal 16 (gallium content 17% by atomic weight, cylindrical shape with diameter 5 mm and length 30 mm) with a pre-adjusted gallium content was filled in the lower part of a single crystal growth crucible 10 made of dense alumina with a thickness of 4 mm, inner diameter 52 mm and height 200 mm, and a mixture of iron and gallium 17 was filled on top of the FeGa alloy seed crystal 16. At this time, a crystal with a main surface orientation of <100> was used for the FeGa alloy seed crystal 16.

次に、単結晶育成用坩堝10の開口部10aに、緻密質アルミナの焼結物製の蓋を被せた。そして、FeGa合金種結晶16と鉄とガリウムの混合物17が充填された単結晶育成用坩堝10を、図1に示すように、多孔質アルミナ製の坩堝受け14上に載置し、熱電対15の先端部を単結晶育成用坩堝10の側面に接触させた。 Next, a lid made of dense sintered alumina was placed over the opening 10a of the single crystal growth crucible 10. Then, the single crystal growth crucible 10 filled with the FeGa alloy seed crystal 16 and the mixture of iron and gallium 17 was placed on a porous alumina crucible holder 14 as shown in FIG. 1, and the tip of the thermocouple 15 was brought into contact with the side of the single crystal growth crucible 10.

次に、可動用ロッド13を駆動させて坩堝受け14をチャンバー19内の最下部にセットした。その後、チャンバー19内にアルゴンガスを導入し、チャンバー19内を大気圧のアルゴン雰囲気に調整した。また、カーボン製の抵抗加熱ヒーターからなる上段ヒーター12a、中段ヒーター12bおよび下段ヒーター12cとしては、独立に制御可能なものを使用した。 Next, the movable rod 13 was driven to set the crucible receiver 14 at the bottom of the chamber 19. After that, argon gas was introduced into the chamber 19, and the inside of the chamber 19 was adjusted to an argon atmosphere at atmospheric pressure. In addition, the upper heater 12a, middle heater 12b, and lower heater 12c, which were made of carbon resistance heaters, were independently controllable.

そして、上段ヒーター12aの温度を1500℃、中段ヒーター12bの温度を1400℃、下段ヒーター12cの温度を1300℃の温度幅で設定し、チャンバー19内の昇温を行った。昇温が終了してチャンバー19内の温度が安定した後、可動用ロッド13を駆動させて坩堝受け14を上昇させることにより、単結晶育成用坩堝10を緩やかな速度で上昇させた。チャンバー19内には上部の温度が高く、下部の温度が低い温度勾配がつくられているので、チャンバー19の上部に移動するに従って単結晶育成用坩堝10内の温度が上昇し、鉄とガリウムの混合物17が融解してその融解物が形成された。 Then, the temperature of the upper heater 12a was set to 1500°C, the temperature of the middle heater 12b to 1400°C, and the temperature of the lower heater 12c to 1300°C, and the temperature inside the chamber 19 was raised. After the temperature rise was completed and the temperature inside the chamber 19 stabilized, the movable rod 13 was driven to raise the crucible receiver 14, and the single crystal growth crucible 10 was raised at a gentle speed. Since a temperature gradient was created inside the chamber 19, with a high temperature at the top and a low temperature at the bottom, the temperature inside the single crystal growth crucible 10 rose as it moved to the top of the chamber 19, and the mixture 17 of iron and gallium melted to form a molten material.

なお、上段ヒーター12aの温度1500℃は、単結晶育成用坩堝10の温度勾配が2.5℃/mmになるように、前述した方法により設定した。この時、中段ヒーター12bの温度を1400℃、下段ヒーター12cの温度を1300℃に設定し、単結晶育成用坩堝10の移動速度は、2mm/時間で測定を行った。FeGa組成はFeGa合金単結晶中のガリウム含有量が原子量%で18%であり、この場合のFeGa合金の固化温度が約1450℃であるので、熱電対50の先端の測定温度が1450℃となるときの単結晶育成用坩堝10の位置をシーディング位置とした。その結果、上段ヒーター12aの温度を1500℃とすればよいことがわかった。 The temperature of the upper heater 12a was set to 1500°C by the method described above so that the temperature gradient of the single crystal growth crucible 10 was 2.5°C/mm. At this time, the temperature of the middle heater 12b was set to 1400°C, the temperature of the lower heater 12c was set to 1300°C, and the measurement was performed at a moving speed of the single crystal growth crucible 10 of 2 mm/hour. The FeGa composition is such that the gallium content in the FeGa alloy single crystal is 18% in atomic weight percent, and the solidification temperature of the FeGa alloy in this case is approximately 1450°C. Therefore, the position of the single crystal growth crucible 10 when the measured temperature at the tip of the thermocouple 50 is 1450°C was set as the seeding position. As a result, it was found that the temperature of the upper heater 12a should be set to 1500°C.

混合原料がほぼ融解して融解物となったら、チャンバー19内へのアルゴンガスの導入を抑え、真空ポンプを使用して350Paまでチャンバー19内を減圧し、そのまま、約30分間保持した。次に200Pa以下となるまで2.5Pa/分の勾配で60分かけて徐々に減圧し、融解物中の気泡を除去した(気泡除去工程)。気泡除去工程後、アルゴンガスの導入を再開し、チャンバー19内を1気圧の不活性雰囲気に調整した。 When the mixed raw materials were almost melted to form a molten mass, the introduction of argon gas into chamber 19 was stopped, and the pressure inside chamber 19 was reduced to 350 Pa using a vacuum pump, and this was maintained for approximately 30 minutes. Next, the pressure was gradually reduced at a gradient of 2.5 Pa/min over 60 minutes until the pressure reached 200 Pa or less, and air bubbles in the molten mass were removed (air bubble removal process). After the air bubble removal process, the introduction of argon gas was resumed, and the inside of chamber 19 was adjusted to an inert atmosphere of 1 atmosphere.

上記融解物が形成された単結晶育成用坩堝10の位置する付近で、熱電対15の接触点位置の温度をモニターしながら、可動用ロッド13を駆動させて単結晶育成用坩堝10内の温度勾配2.5℃/mmに維持しつつ、単結晶育成用坩堝10をシーディング位置まで数mm上昇させて温度を安定させた。この工程を繰り返して、熱電対15の温度が安定した状態で1350~1400℃の範囲になるよう単結晶育成用坩堝10を上昇させた。単結晶育成用坩堝10を保持する位置が定まったら、3時間保持してシーディングを行った。シーディングを行った後、上段ヒーター12aの温度を1500℃、中段ヒーター12bの温度を1400℃、下段ヒーター12cの温度を1300℃に維持しつつ、可動用ロッド13を駆動させて単結晶育成用坩堝10の降下速度を2mm/時間として単結晶育成用坩堝10を降下させ、FeGa合金単結晶の育成を開始した。単結晶育成用坩堝10の降下距離が150mmとなった後、育成を終了した。 While monitoring the temperature at the contact point of the thermocouple 15 near the location of the single crystal growth crucible 10 where the melt was formed, the movable rod 13 was driven to maintain a temperature gradient of 2.5°C/mm in the single crystal growth crucible 10, and the single crystal growth crucible 10 was raised several mm to the seeding position to stabilize the temperature. This process was repeated to raise the single crystal growth crucible 10 so that the temperature of the thermocouple 15 was stable and in the range of 1350 to 1400°C. Once the position to hold the single crystal growth crucible 10 was determined, it was held there for 3 hours to perform seeding. After seeding, the upper heater 12a was kept at a temperature of 1500°C, the middle heater 12b at a temperature of 1400°C, and the lower heater 12c at a temperature of 1300°C, while the movable rod 13 was driven to lower the crucible 10 for single crystal growth at a descending speed of 2 mm/hour, and the growth of the FeGa alloy single crystal was started. After the descending distance of the crucible 10 for single crystal growth reached 150 mm, the growth was terminated.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことを確認した。さらに、育成されたFeGa合金の単結晶を切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the bottom end of the FeGa alloy seed crystal 16, and it was confirmed that the entire FeGa alloy seed crystal 16 had not melted. Furthermore, the grown FeGa alloy single crystal was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記を10回繰り返し、FeGa合金単結晶のインゴットを10本製造した。いずれのインゴットにおいても、上記と同様の結果となり、安定してFeGa合金単結晶のインゴットを製造することができた。 The above process was repeated 10 times to produce 10 ingots of FeGa alloy single crystal. The results were the same for each ingot, and it was possible to stably produce ingots of FeGa alloy single crystal.

[実施例2]
上段ヒーター12aの温度を1600℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を3.5℃/mmとしたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Example 2]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1600°C and the temperature gradient in the crucible 10 for growing a single crystal during seeding was set to 3.5°C/mm.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことを確認した。さらに、育成されたFeGa合金の単結晶を切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the bottom end of the FeGa alloy seed crystal 16, and it was confirmed that the entire FeGa alloy seed crystal 16 had not melted. Furthermore, the grown FeGa alloy single crystal was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記を10回繰り返し、FeGa合金単結晶のインゴットを10本製造した。いずれのインゴットにおいても、上記と同様の結果となり、安定してFeGa合金単結晶のインゴットを製造することができた。 The above process was repeated 10 times to produce 10 ingots of FeGa alloy single crystal. The results were the same for each ingot, and it was possible to stably produce ingots of FeGa alloy single crystal.

[実施例3]
上段ヒーター12aの温度を1600℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を3.5℃/mm、育成時の単結晶育成用坩堝10の降下速度を5mm/時間としたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Example 3]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1600°C, the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth during seeding was set to 3.5°C/mm, and the descending speed of the crucible 10 for single crystal growth during growth was set to 5 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことを確認した。さらに、育成されたFeGa合金の単結晶を切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the bottom end of the FeGa alloy seed crystal 16, and it was confirmed that the entire FeGa alloy seed crystal 16 had not melted. Furthermore, the grown FeGa alloy single crystal was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記を10回繰り返し、FeGa合金単結晶のインゴットを10本製造した。いずれのインゴットにおいても、上記と同様の結果となり、安定してFeGa合金単結晶のインゴットを製造することができた。 The above process was repeated 10 times to produce 10 ingots of FeGa alloy single crystal. The results were the same for each ingot, and it was possible to stably produce ingots of FeGa alloy single crystal.

[実施例4]
上段ヒーター12aの温度を1625℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を4.0℃/mm、育成時の単結晶育成用坩堝10の降下速度を7.5mm/時間としたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Example 4]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1625°C, the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth during seeding was set to 4.0°C/mm, and the descending speed of the crucible 10 for single crystal growth during growth was set to 7.5 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことを確認した。さらに、育成されたFeGa合金の単結晶を切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the bottom end of the FeGa alloy seed crystal 16, and it was confirmed that the entire FeGa alloy seed crystal 16 had not melted. Furthermore, the grown FeGa alloy single crystal was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記を3回繰り返し、FeGa合金単結晶のインゴットを3本製造した。いずれのインゴットにおいても、上記と同様の結果となり、安定してFeGa合金単結晶のインゴットを製造することができた。 The above process was repeated three times to produce three ingots of FeGa alloy single crystal. The results were the same for each ingot, and it was possible to stably produce ingots of FeGa alloy single crystal.

[実施例5]
上段ヒーター12aの温度を1650℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を4.5℃/mm、育成時の単結晶育成用坩堝10の坩堝降下速度を10mm/時間としたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Example 5]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1650°C, the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth during seeding was set to 4.5°C/mm, and the crucible descent speed of the crucible 10 for single crystal growth during growth was set to 10 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことを確認した。さらに、育成されたFeGa合金の単結晶を切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the bottom end of the FeGa alloy seed crystal 16, and it was confirmed that the entire FeGa alloy seed crystal 16 had not melted. Furthermore, the grown FeGa alloy single crystal was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記を3回繰り返し、FeGa合金単結晶のインゴットを3本製造した。いずれのインゴットにおいても、上記と同様の結果となり、安定してFeGa合金単結晶のインゴットを製造することができた。 The above process was repeated three times to produce three ingots of FeGa alloy single crystal. The results were the same for each ingot, and it was possible to stably produce ingots of FeGa alloy single crystal.

[比較例1]
上段ヒーター12aの温度を1475℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.0℃/mmとしたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Comparative Example 1]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1475°C and the temperature gradient in the crucible 10 for growing a single crystal during seeding was set to 2.0°C/mm.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金が得られた。インゴットにおける種結晶部分は単結晶育成用坩堝10の内側形状にならって凹凸面となっていた。種結晶部分を切断し、方位を確認したが、<100>方位から大きくずれており、種結晶が全て融解していた。さらに育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかったため、単結晶であった。さらに、育成されたFeGa合金インゴットを切断し、方位を確認したが、<100>方位から大きくずれていた。 After the above single crystal growth was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and an FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body portion 40 of 100 mm was obtained. The seed crystal portion of the ingot had an uneven surface following the inner shape of the single crystal growth crucible 10. The seed crystal portion was cut and its orientation was confirmed, but it was significantly deviated from the <100> orientation, and the seed crystal was completely melted. The grown FeGa alloy ingot was further cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be confirmed by the naked eye were confirmed, so it was a single crystal. The grown FeGa alloy ingot was further cut and its orientation was confirmed, but it was significantly deviated from the <100> orientation.

また、上記の育成をあと1回繰り返し、FeGa合金インゴットを育成したが、同様に種結晶が全て融解していた。育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、粒界が観察され、多結晶化していた。また、育成されたFeGa合金を切断し、方位を確認したが、<100>方位から大きくずれていた。 The above growth process was repeated once more to grow an FeGa alloy ingot, but all of the seed crystals had melted in the same way. The grown FeGa alloy ingot was cut and the inside of the crystal was observed, revealing grain boundaries and polycrystallization. The grown FeGa alloy was also cut and its orientation was confirmed, but it was significantly deviated from the <100> orientation.

[比較例2]
育成時の単結晶育成用坩堝10の降下速度を5mm/時間としたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Comparative Example 2]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the lowering speed of the crucible 10 for growing the single crystal during growth was set to 5 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金が得られた。インゴットにおける種結晶部分の先端部には融解は見られなかった。さらに、育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、粒界が観察され、多結晶化していた。また、上記の育成を3回繰り返したが、3本共に多結晶化していた。 After the above single crystal growth was completed, the grown FeGa alloy ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, yielding an FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of 100 mm at the body portion 40. No melting was observed at the tip of the seed crystal portion of the ingot. Furthermore, the grown FeGa alloy ingot was cut and the inside of the crystal was observed, revealing grain boundaries and polycrystallization. The above growth process was repeated three times, and all three pieces were polycrystallized.

[比較例3]
上段ヒーター12aの温度を1575℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を3.0℃/mm、育成時の単結晶育成用坩堝10の降下速度を7.5mm/時間としたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Comparative Example 3]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1575°C, the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth during seeding was set to 3.0°C/mm, and the descending speed of the crucible 10 for single crystal growth during growth was set to 7.5 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。インゴットにおける種結晶部分の先端部には融解は見られなかった。さらに、育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the tip of the seed crystal portion of the ingot. Furthermore, the grown FeGa alloy ingot was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記の育成を追加で2回繰り返した。2本ともに種結晶の先端部には融解は見られなかった。さらに、育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、2本ともに粒界が観察され、多結晶化していた。 The above growth process was repeated two more times. No melting was observed at the tip of the seed crystal in either of the two crystals. Furthermore, the grown FeGa alloy ingots were cut and the inside of the crystal was observed, and grain boundaries were observed in both crystals, indicating that the crystals had become polycrystallized.

[比較例4]
上段ヒーター12aの温度を1625℃、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を4.0℃/mm、育成時の単結晶育成用坩堝10の降下速度を10mm/時間としたこと以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Comparative Example 4]
A mixture 17 of iron and gallium was prepared and a single crystal was grown in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the upper heater 12a was set to 1625°C, the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth during seeding was set to 4.0°C/mm, and the descending speed of the crucible 10 for single crystal growth during growth was set to 10 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したFeGa合金単結晶のインゴットを取り出したところ、直径52mm、直胴部40の長さ100mmのFeGa合金の単結晶が得られた。インゴットにおける種結晶部分の先端部には融解は見られなかった。さらに、育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかった。 After the growth of the single crystal was completed, the grown FeGa alloy single crystal ingot was removed from the single crystal growth crucible 10, and a single crystal of FeGa alloy with a diameter of 52 mm and a length of the straight body 40 of 100 mm was obtained. No melting was observed at the tip of the seed crystal portion of the ingot. Furthermore, the grown FeGa alloy ingot was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were confirmed.

また、上記の育成を追加で2回繰り返した。2本ともに種結晶の先端部には融解は見られなかった。さらに、育成されたFeGa合金インゴットを切断し、結晶内部を観察したが、2本ともに粒界が観察され、多結晶化していた。 The above growth process was repeated two more times. No melting was observed at the tip of the seed crystal in either of the two crystals. Furthermore, the grown FeGa alloy ingots were cut and the inside of the crystal was observed, and grain boundaries were observed in both crystals, indicating that the crystals had become polycrystallized.

実施例1~5、比較例1~4におけるFeGa合金インゴットの育成条件および育成結果について、表1に示す。表1の温度勾配において、計算値は図3に示すY=0.247X+2.01の式に基づき、坩堝降下速度をXとした場合の温度勾配Yの値である。 The growth conditions and growth results of the FeGa alloy ingots in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in Table 1. For the temperature gradient in Table 1, the calculated value is the value of temperature gradient Y when the crucible descent speed is X, based on the formula Y = 0.247X + 2.01 shown in Figure 3.

結果として、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.5℃/mm以上とすることで、種結晶下部の融解を防止することができた(実施例1~5、比較例2~4)。 As a result, by setting the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 during seeding to 2.5°C/mm or more, it was possible to prevent melting of the lower part of the seed crystal (Examples 1 to 5, Comparative Examples 2 to 4).

一方で、シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.0℃/mmとした場合には、種結晶がすべて融解し、<100>方位での単結晶育成ができなかった(比較例1)。 On the other hand, when the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 during seeding was set to 2.0°C/mm, the seed crystals all melted, and single crystals could not be grown in the <100> orientation (Comparative Example 1).

シーディング時の単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.5℃/mmとした場合、単結晶育成用坩堝10の降下速度が2mm/時間の条件では単結晶が育成できたが(実施例1)、単結晶育成用坩堝10の降下速度が5mm/時間の条件では多結晶化した(比較例2)。また、単結晶育成用坩堝10の降下速度を速くすると、多結晶化する温度勾配が高くなることが分かった(比較例2~4)。 When the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 during seeding was 2.5°C/mm, a single crystal could be grown when the lowering speed of the single crystal growth crucible 10 was 2 mm/hour (Example 1), but polycrystallization occurred when the lowering speed of the single crystal growth crucible 10 was 5 mm/hour (Comparative Example 2). It was also found that the temperature gradient at which polycrystallization occurred increased when the lowering speed of the single crystal growth crucible 10 was increased (Comparative Examples 2 to 4).

[まとめ]
以上の実施例1~5、比較例1~4の結果より、育成時の坩堝の降下速度に合わせてシーディング時の坩堝内の温度勾配を調整することにより、種結晶全体の融解およびFeGa合金の多結晶化を防止できることが分かる。すなわち、本発明であれば、安定した品質のFeGa合金単結晶を廉価かつ大量に製造できることは、明らかである。
[summary]
From the results of the above Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, it is understood that melting of the entire seed crystal and polycrystallization of the FeGa alloy can be prevented by adjusting the temperature gradient in the crucible during seeding in accordance with the descending speed of the crucible during growth. In other words, it is clear that the present invention can mass-produce FeGa alloy single crystals of stable quality at low cost.

10 単結晶育成用坩堝、10a 開口部、11 断熱材、12 抵抗加熱ヒーター、12a 上段ヒーター、12b 中段ヒーター、12c 下段ヒーター、13 可動用ロッド、14 坩堝受け、15 熱電対、16 鉄ガリウム合金種結晶、17 鉄とガリウムの混合物、18 真空ポンプ、19 チャンバー、50 熱電対、100 単結晶育成装置 10 Single crystal growth crucible, 10a Opening, 11 Insulation material, 12 Resistance heater, 12a Upper heater, 12b Middle heater, 12c Lower heater, 13 Movable rod, 14 Crucible holder, 15 Thermocouple, 16 Iron-gallium alloy seed crystal, 17 Iron-gallium mixture, 18 Vacuum pump, 19 Chamber, 50 Thermocouple, 100 Single crystal growth device

Claims (4)

一方向凝固結晶成長法を用いるFeGa合金単結晶の製造方法であって、
シーディング時における坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整し、
前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、
前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を5mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を3.5℃/mm以上とする、FeGa合金単結晶の製造方法。
A method for producing an FeGa alloy single crystal using a directional solidification crystal growth method, comprising the steps of:
The temperature in the crucible during seeding is adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient in the crucible is adjusted to be within the range of 2.5 to 5.5 ° C. / mm;
The unidirectional solidification crystal growth method is a vertical Bridgman method,
During the growth of the FeGa alloy single crystal, the rate of descent of the crucible is set to 5 mm/hour or less, and the temperature gradient within the crucible is set to 3.5° C./mm or more .
一方向凝固結晶成長法を用いるFeGa合金単結晶の製造方法であって、
シーディング時における坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整し、
前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、
前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を7.5mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を4.0℃/mm以上とする、FeGa合金単結晶の製造方法。
A method for producing an FeGa alloy single crystal using a directional solidification crystal growth method, comprising the steps of:
The temperature in the crucible during seeding is adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient in the crucible is adjusted to be within the range of 2.5 to 5.5 ° C. / mm;
The unidirectional solidification crystal growth method is a vertical Bridgman method,
During the growth of the FeGa alloy single crystal, the lowering speed of the crucible is set to 7.5 mm/hour or less, and the temperature gradient in the crucible is set to 4.0° C./mm or more .
一方向凝固結晶成長法を用いるFeGa合金単結晶の製造方法であって、
シーディング時における坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整し、
前記一方向凝固結晶成長法は、垂直ブリッジマン法であり、
前記FeGa合金単結晶の育成時において、前記坩堝の降下速度を10mm/時間以下とし、かつ、前記坩堝内の温度勾配を4.5℃/mm以上とする、FeGa合金単結晶の製造方法。
A method for producing an FeGa alloy single crystal using a directional solidification crystal growth method, comprising the steps of:
The temperature in the crucible during seeding is adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient in the crucible is adjusted to be within the range of 2.5 to 5.5 ° C. / mm;
The unidirectional solidification crystal growth method is a vertical Bridgman method,
During the growth of the FeGa alloy single crystal, the rate of descent of the crucible is set to 10 mm/hour or less, and the temperature gradient within the crucible is set to 4.5° C./mm or more .
前記温度勾配をYとし、前記降下速度をXとした時、
Y≧0.247X+2.00を満たす、請求項のいずれかに記載のFeGa合金単結晶の製造方法。
When the temperature gradient is Y and the falling speed is X,
The method for producing an FeGa alloy single crystal according to any one of claims 1 to 3 , wherein Y≧0.247X+2.00 is satisfied.
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