MD532Z

MD532Z - Method for rapid growth of monocrystals Sb

Info

Publication number: MD532Z
Application number: MDS20110127A
Authority: MD
Inventors: Albina Nikolaeva; Leonid Konopko; Gheorghe Para; Pavel Bodiul
Original assignee: ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ИНЖЕНЕРИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ "D. Ghitu" АНМ
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-02-28
Also published as: MD532Y

Abstract

The invention relates to the production of single crystals, namely to a method for rapid growth of monocrystals Sb.The method, according to the invention, consists in that it is carried out growth of monocrystal from molten metal (4) in a quartz ampoule (2), the bottom of which is made cone-shaped with an angle of 40°, placed in an oven (1), connected to an electronic device to keep therein the constant temperature of 300°C during the entire growth process with a temperature gradient equal to 7°C/cm. The first core of crystallization of Sb, which serves as a starting point for oriented growth, is situated so that the third-order axis may form with the ampoule axis an angle of 20°.

Description

Invenţia se referă la domeniul de producere a monocristalelor, şi anume la un procedeu de creştere rapidă a monocristalelor de Sb. The invention relates to the field of single crystal production, namely to a process for rapid growth of Sb single crystals.

Monocristalele din Sb sunt materiale anizotropice cu proprietăţi termoelectrice înalte şi se folosesc ca termoelemente în tehnică la temperaturi joase, la convertizarea energiei, amplificarea undelor ultrasonore şi electromagnetice de frecvenţă înaltă. Sb single crystals are anisotropic materials with high thermoelectric properties and are used as thermocouples in low-temperature technology, energy conversion, and amplification of high-frequency ultrasonic and electromagnetic waves.

Este cunoscut procedeul de creştere a monocristalelor din masa topită prin tragerea monocristalului cu ajutorul unui germene de cristalizare, care efectuează o mişcare pe direcţie orizontală. Procesul de creştere a monocristalului are loc într-o luntre de cuarţ, care se află într-o fiolă, din care este evacuat aerul, situată pe un suport orizontal. Zona topită în luntrea de cuarţ, care asigură iniţial omogenitatea materialului, este deplasată cu o viteză mică constantă cu deplasări complete de la un capăt la alt capăt al fiolei. Ultima deplasare a zonei topite are loc după contactul cu germenele de cristalizare, care este începutul creşterii monocristalului de orientare cristalografică corespunzătoare [1]. The process of growing single crystals from the molten mass by pulling the single crystal with the help of a crystallization seed, which performs a movement in the horizontal direction, is known. The process of growing a single crystal takes place in a quartz boat, which is located in a vial, from which air is evacuated, located on a horizontal support. The molten zone in the quartz boat, which initially ensures the homogeneity of the material, is moved at a constant low speed with complete displacements from one end to the other end of the vial. The last displacement of the molten zone takes place after contact with the crystallization seeds, which is the beginning of the growth of a single crystal of the corresponding crystallographic orientation [1].

Dezavantajul acestui procedeu este consumul mare de energie electrică. Procesul de creştere a monocristalelor este foarte îndelungat, viteza de creştere fiind de 0,01 mm/oră. Totodată fiola iniţială trebuie să fie distrusă pentru a anexa cristalul probă de orientare cristalografică la altă fiolă. În urma acestei proceduri pot apărea impurităţi necontrolate. The disadvantage of this process is the high consumption of electricity. The process of growing single crystals is very long, the growth rate being 0.01 mm/hour. At the same time, the initial vial must be destroyed to attach the crystallographic orientation sample crystal to another vial. Uncontrolled impurities may appear as a result of this procedure.

Cea mai apropiată soluţie este procedeul de creştere rapidă a monocristalelor de bismut. Conform procedeului la extremitatea ascuţită a fiolei se sudează un pivot din sticlă de molibden pentru transmiterea căldurii. Alt capăt al pivotului este menţinut la o temperatură constantă a răcitorului, care reprezintă un vas cu apă rece (5…20ºC). Viteza de creştere depinde de gradientul de temperatură în regiunea cristalizării, care este reglat prin modificarea temperaturii termostatului-răcitor. Monocristalul creşte direct în fiolă, fără distrugerea ei [2]. The closest solution is the process of rapid growth of bismuth single crystals. According to the process, a molybdenum glass pin is welded to the sharp end of the vial for heat transfer. The other end of the pin is maintained at a constant temperature in the cooler, which is a vessel with cold water (5…20ºC). The growth rate depends on the temperature gradient in the crystallization region, which is regulated by changing the temperature of the thermostat-cooler. The single crystal grows directly in the vial, without destroying it [2].

Dezavantajul acestui procedeu constă în faptul că răcitorul, care constă dintr-un vas cu apă, nu întotdeauna are o temperatură constantă, deoarece temperatura camerei poate fi diferită. Temperaturile la extremităţile fiolei nu sunt permanent controlate pentru a menţine un gradient de temperatură constant pe tot parcursul procesului de creştere a monocristalului. The disadvantage of this process is that the cooler, which consists of a water tank, is not always at a constant temperature, as the room temperature may vary. The temperatures at the ends of the vial are not constantly controlled to maintain a constant temperature gradient throughout the single crystal growth process.

Problema pe care o rezolvă invenţia este producerea rapidă a monocristalelor calitative de Sb prin cristalizarea directă în fiola, situată în poziţie verticală. The problem solved by the invention is the rapid production of qualitative Sb single crystals by direct crystallization in the vial, located in a vertical position.

Procedeul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că se efectuează creşterea monocristalului din metal topit într-o fiolă din cuarţ, fundul căreia este executat în formă de con cu un unghi de 40°, amplasată într-o sobă, conectată la un dispozitiv electronic pentru menţinerea în ea a unei temperaturi constante de 300°C pe parcursul întregului proces de creştere cu un gradient de temperatură egal cu 7°C/cm. Primul nucleu de cristalizare al Sb, care serveşte drept început pentru creşterea orientată, se aranjează în aşa mod, încât axa de gradul trei să formeze cu axa fiolei un unghi de 20°. The method, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by performing the growth of the single crystal of molten metal in a quartz vial, the bottom of which is made in the shape of a cone with an angle of 40°, placed in a stove, connected to an electronic device for maintaining a constant temperature of 300°C in it throughout the entire growth process with a temperature gradient equal to 7°C/cm. The first crystallization nucleus of Sb, which serves as the beginning for the oriented growth, is arranged in such a way that the third degree axis forms an angle of 20° with the vial axis.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă instalaţia pentru creşterea rapidă a monocristalelor. Aceasta constă din sobă 1, fiola din cuarţ 2, ţesătură de termoizolare din azbest 3, metal topit 4, sobe suplimentare 5, 6. The invention is explained by the drawing in the figure, which represents the installation for the rapid growth of single crystals. It consists of a stove 1, a quartz vial 2, an asbestos thermal insulation fabric 3, molten metal 4, additional stoves 5, 6.

Procedeul constă în efectuarea creşterii monocristalului din metal topit 4 în fiola din cuarţ 2, fundul căreia este executat în formă de con cu un unghi de 40°, amplasată într-o sobă 1, conectată la un dispozitiv electronic pentru menţinerea în ea a unei temperaturi constante de 300°C pe parcursul întregului proces de creştere cu un gradient de temperatură egal cu 7°C/cm. Primul nucleu de cristalizare al Sb, care serveşte drept început pentru creşterea orientată, se aranjează în aşa mod, încât axa de gradul trei să formeze cu axa fiolei 2 un unghi de 20°. Sobele suplimentare 5, 6 servesc în calitate de surse de căldură pentru formarea gradientului de temperatură, prin reglarea temperaturilor T1, T2 la capetele fiolei 2. The process consists in performing the growth of the molten metal single crystal 4 in the quartz vial 2, the bottom of which is made in the shape of a cone with an angle of 40°, placed in a stove 1, connected to an electronic device for maintaining a constant temperature of 300°C in it during the entire growth process with a temperature gradient equal to 7°C/cm. The first Sb crystallization nucleus, which serves as the beginning for the oriented growth, is arranged in such a way that the third degree axis forms an angle of 20° with the axis of the vial 2. Additional stoves 5, 6 serve as heat sources for the formation of the temperature gradient, by regulating the temperatures T1, T2 at the ends of the vial 2.

Calitatea şi viteza de creştere a monocristalului de Sb sunt delimitate în primul rând de tensiunile, care se formează în cristal datorită regimului termic de creştere, îndeosebi la hotarul frontului de cristalizare. În cazul frontului plan de cristalizare gradientul este longitudinal. În cazul fiolei de cuarţ suprafaţa ei exterioară este mai rece, ceea ce poate duce la comprimarea cristalului, formând tensiuni interioare, care înlesnesc distrugerea structurii monocristalului. Din această cauză soba 1 tot timpul de creştere a monocristalului menţine o temperatură de 300°C, formând un fond de căldură din exterior pentru fiola de cuarţ. În momentul când temperatura de sus a fiolei este de 630,5°C, toate sobele sunt deconectate automat de un dispozitiv electronic. The quality and growth rate of the Sb single crystal are primarily limited by the stresses that form in the crystal due to the thermal growth regime, especially at the boundary of the crystallization front. In the case of the flat crystallization front, the gradient is longitudinal. In the case of the quartz vial, its outer surface is colder, which can lead to compression of the crystal, forming internal stresses that facilitate the destruction of the single crystal structure. For this reason, the furnace 1 maintains a temperature of 300°C throughout the growth of the single crystal, forming a heat source from the outside for the quartz vial. When the temperature of the top of the vial is 630.5°C, all furnaces are automatically disconnected by an electronic device.

Exemplul 1 Example 1

În fiola din cuarţ cu Sb pur, unghiul de ascuţire a fundului în formă de con al căreia este de 53°, se produce cristalizarea cu un gradient de temperatură egal cu 7°C/cm. Soba 1 are un fond de temperatură pe parcursul procesului de creştere de 300°C. Viteza de creştere este de 1 cm/oră. Gradientul de temperatură este de (700…630)°C = 70°C, pe distanţa de 10 cm. Peste 10 ore se distruge fiola, în care se găseşte un număr mare de cristale de diferite direcţii de cristalizare. Lingoul are o structură grăunţoasă cu multe defecte structurale, ceea ce nu permite tăierea monocristalelor calitative în tot volumul fiolei. In the quartz vial with pure Sb, the angle of sharpening of the cone-shaped bottom of which is 53°, crystallization occurs with a temperature gradient equal to 7°C/cm. Oven 1 has a temperature background during the growth process of 300°C. The growth rate is 1 cm/hour. The temperature gradient is (700…630)°C = 70°C, over a distance of 10 cm. After 10 hours, the vial is destroyed, in which a large number of crystals of different crystallization directions are found. The ingot has a grainy structure with many structural defects, which does not allow cutting qualitative single crystals throughout the volume of the vial.

Exemplul 2 Example 2

În fiola din cuarţ cu Sb pur, unghiul de ascuţire a fundului în formă de con al căreia este de 40°, se produce cristalizarea verticală, păstrând aceleaşi condiţii ca şi în exemplul 1. Peste 10 ore se distruge fiola, unde se găseşte în tot volumul un monocristal de Sb calitativ. Din acest monocristal pot fi tăiate probe în orientările celor două direcţii cristalografice de bază - de-a lungul axelor de gradul trei şi doi. In the quartz vial with pure Sb, the angle of sharpening of the cone-shaped bottom of which is 40°, vertical crystallization occurs, maintaining the same conditions as in example 1. After 10 hours, the vial is destroyed, where a single crystal of qualitative Sb is found throughout the volume. Samples can be cut from this single crystal in the orientations of the two basic crystallographic directions - along the third and second degree axes.

Exemplul 3 Example 3

În fiola din cuarţ cu Sb pur, unghiul de ascuţire a fundului în formă de con al căreia este de 34°, se produce cristalizarea verticală, păstrând aceleaşi condiţii ca şi în exemplele precedente. Peste 10 ore se distruge fiola, în care se găseşte un număr mare de cristale de diferite direcţii de cristalizare, ceea ce face imposibilă tăierea probelor calitative în tot volumul fiolei. In the quartz vial with pure Sb, the angle of sharpening of the cone-shaped bottom of which is 34°, vertical crystallization occurs, maintaining the same conditions as in the previous examples. After 10 hours, the vial is destroyed, in which a large number of crystals of different crystallization directions are found, which makes it impossible to cut qualitative samples throughout the volume of the vial.

De regulă, în cazul exemplului 2, din fiecare 10 monocristale 8…9 sunt de calitate superioară. Aproximativ 85% din volumul lingoului este un monocristal ideal, aşchierea în planul de sudare rezultând cu suprafeţe ideale de oglindă. Typically, in the case of example 2, out of every 10 single crystals 8…9 are of superior quality. Approximately 85% of the ingot volume is an ideal single crystal, the cutting in the welding plane resulting in ideal mirror surfaces.

1. Пфанн В. Зонная плавка, Изд. Мир, 1970, с. 248-249 1. Пфанн В. Зонная плавка, Изд. Mir, 1970, p. 248-249

2. MD 98-0179 A 2000.06.30 2. MD 98-0179 A 2000.06.30

Claims

A process for rapid growth of Sb single crystals, which consists in growing the single crystal from molten metal in a quartz vial, the bottom of which is made in the shape of a cone with an angle of 40°, placed in a stove, connected to an electronic device for maintaining a constant temperature of 300°C in it throughout the entire growth process with a temperature gradient equal to 7°C/cm, at the same time the first crystallization nucleus of Sb, which serves as the beginning for oriented growth, is arranged in such a way that the third degree axis forms an angle of 20° with the vial axis.