RU2139957C1 - СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА β-BaB2O4 - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к получению монокристалла β-BaB₂O₄(ВBO), применяемого для преобразования частоты лазерного излучения. Способ включает выращивание в системе ВаО - B₂O₃ - Na₂O, из раствора-расплава, состав которого определен областью ABCD-A'B'C'D', со следующими координатами точек, мольные доли: A: BaO 0,54; B₂O₃ 0,39; Nа₂O 0,07; В: ВаO 0,41; B₂O₃ 0,41; Nа₂O 0,18; С: ВаO 0,36; В₂O₃ 0,46; Nа₂O 0,18; D: ВаO 0,25; B₂O₃ 0,50; Nа₂O 0,25; A': ВаО 0,53; B₂O₃ 0,42; Nа₂O 0,05; В': ВаO 0,445; B₂O₃ 0,445; Nа₂O 0,11; C': BaO 0,40; B₂O₃ 0,49; Nа₂O 0,11; D': ВаО 0,33; B₂O₃ 0,50; Nа₂O 0,17. Составы данной области ВаО - B₂O₃ - Na₂O обеспечивают снижение вязкости раствора-расплава, что приводит к увеличению температурного интервала, пригодного для роста монокристалла β-BaB₂O₄ при определенной скорости вытягивания, и позволяет выращивать кристаллы, размер которых по длине в кристаллографическом направлении [0001] достигает 20-25 мм, характеризующихся хорошими показателями оптического качества и возможностью изготовления оптических элементов. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов из растворов-расплавов, в частности монокристалла β-BaB₂O₄ (BBO), применяемого для преобразования частоты лазерного излучения.

Известен способ изготовления монокристалла β-BaB₂O₄ из расплава исходных компонентов со смещением от стехиометрического состава в сторону избытка бария или в сторону избытка бора [1]. Однако получение кристаллов в этом случае затруднено из-за высокой вязкости расплавов и узости температурных интервалов, пригодных для роста (до 20^oC).

Известен способ получения монокристаллов из раствор-расплава системы BaB₂O₄-Na₂B₂O₄ [2] . Однако при проведении роста по этому способу осуществлять процесс технологически сложно, вследствие высокой вязкости расплава и его склонности к переохлаждению.

Наиболее близким способом выращивания β-бората бария является способ выращивания из раствора-расплава в системе BaO - B₂O₃ - Na₂O (разрез BaB₂O₄ - Na₂O при содержании Na₂O 0,20 - 0,22 мол. долей) [3].

Однако рост монокристаллов при данном соотношении компонентов имеет ограничение. Увеличение вязкости расплава при снижении температуры в процессе роста препятствует использованию широкого температурного интервала (до 170^oC) для получения кристаллов достаточно большой длины без включений растворителя в кристаллографическом направлении [0001].

Для снижения вязкости расплава при смещении содержания исходных компонентов BaO, B₂O₃ и Na₂O в сторону избытка бария и недостатка бора, а также для выявления более оптимального растворителя выращивание проводят из раствор-расплава в системе BaO - B₂O₃ - Na₂O, состав которого определен областью ABCD-A'B'C'D', при этом координаты системы определены точками, мол.доли:
A: BaO 0,54, B₂O₃ 0,39, Na₂O 0,07
B: BaO 0,41, B₂O₃ 0,41, Na₂O 0,18
C: BaO 0,36, B₂O₃ 0,46, Na₂O 0,18
D: BaO 0,25, B₂O₃ 0,50, Na₂O 0,25
A': BaO 0,53, B₂O₃ 0,42, Na₂O 0,05
B': BaO 0,445, B₂O₃ 0,445, Na₂O 0,11
C': BaO 0,40, B₂O₃ 0,49, Na₂O 0,11
D': BaO 0,33, B₂O₃ 0,50, Na₂O 0,17
На чертеже представлена фазовая диаграмма системы, на которой изображена заявляемая область ABCD-A'B'C'D' кристаллизации β-BaB₂O₄; отрезки концентраций BB' и DD' по прототипу, MM' и NN' - по аналогу.

Диаграмма изучена методом спонтанной кристаллизации. Результаты исследования фазовой диаграммы показали, что линия ABCD представляет линию эвтектических составов, а линия A'B'C'D' - линия фазового перехода β-BaB₂O₄_→ α-BaB₂O₄┘
Заявляемые составы системы могут быть использованы в различных способах выращивания β-BaB₂O₄ из раствор-расплава методом снижения температуры с вытягиванием и с вращением затравки, с вращением тигля, в частности, при снижении температуры со скоростью 1 град/сут., вращении затравки 2 об/мин, вращении тигля до 5 об/мин.

Составы данной области BaO - B₂O₃ - Na₂O обеспечивают снижение вязкости раствор-расплава, что приводит к увеличению температурного интервала, пригодного для роста монокристалла β-BaB₂O₄ при той же скорости вытягивания и позволяет выращивать кристаллы большего размера по длине в кристаллографическом направлении [0001] без включений растворителя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
Для получения монокристалла β-BaB₂O₄ использован расплав состава, мол. доли: BaO-0,49; B₂O₃-0,43; Na₂O-0,08 (точка k фазовой диаграммы). Навески исходных реактивов: BaCo₃ осч-876,13 г, B₂O₃ осч-271,25 г и Na₂CO₃ осч-82,27 г механически перемешивают, измельчая B₂O₃. Затем небольшими порциями (по 4-6 г) смесь загружают в платиновый тигель объемом 400 см³, раскаленный до температуры 950^oC. Каждую следующую порцию вносят после прекращения газовыделения от предыдущей порции. После загрузки всей смеси раствор-расплав нагревают до температуры 1000^oC и выдерживают 10-20 ч для гомогенизации и более полного обезгаживания. Затем расплав охлаждают, определяют температуру начала кристаллизации и производят затравление. Выращивание ведут методом Чохральского. Затравку из монокристалла BBO, вырезанную в направлении [0001], вращают со скоростью 2 об/мин. Снижая температуру со скоростью 0,05 град/ч и обнаружив начало роста монокристалла, включают вытягивание со скоростью 0,7 мм/сут. По достижении кристаллом диаметра 30-40 мм охлаждение увеличивают до 0,12 - 0,15 град/ч. По достижении кристаллом длины 25-30 мм рост прекращают, кристалл отрывают от расплава и охлаждают со скоростью 15-20 град/ч.

Таким образом, заявленная совокупность признаков обеспечивает получение кристаллов, максимальные размеры которых по длине в кристаллографическом направлении [0001] составляют 25-30 мм, характеризующихся хорошими показателями оптического качества и возможностью изготовления оптических элементов. В известных способах достигнута максимальная длина в кристаллографическом направлении [0001] до 10 мм [3] и до 20 мм [4].

Список использованных источников
1. Способ изготовления монокристаллов β-BaB₂O₄ с нелинейными оптическими свойствами. - Заявка Японии N 1-249698 (A), МКИ C 30 B 29/10, 15/00, опубл. 1989.

2. A. Jiang at al. Flux growth of large single crystals of low temperature phase barium metaborate. - J. of Crystal Growth 79 (1986) 963-969.

3. R. S.Feigelson and al. Solution growih of barium metaborate crystals by iop seeding. - J. of Crystal Crowth 97 (1989) 352-366 (прототип).

4. D. Y. Tang at al. A study on growth of β-BaB₂O₄ crystals. - J. of Crystal Growth 123 (1992) 445-450.

Claims (1)

1. Способ выращивания монокристалла β-BaB₂O₄ из раствора-расплава в системе BaO - B₂O₃ - Na₂O, отличающийся тем, что рост ведут из раствора-расплава, состав которого определен областью ABCD - A'B'C'D', со следующими координатами точек, мольные доли:
   А:
   BaO - 0,54
   B₂O₃ - 0,39
   Na₂O - 0,07
   В:
   BaO - 0,41
   B₂O₃ - 0,41
   Na₂O - 0,18
   С:
   BaO - 0,36
   B₂O₃ - 0,46
   Na₂O - 0,18
   D:
   BaO - 0,25
   B₂O₃ - 0,50
   Na₂O - 0,25
   А':
   BaO - 0,53
   B₂O₃ - 0,42
   Na₂O - 0,05
   B':
   BaO - 0,445
   B₂O₃ - 0,445
   Na₂O - 0,11
   C':
   BaO - 0,40
   B₂O₃ - 0,49
   Na₂O - 0,11
   D':
   BaO - 0,33
   B₂O₃ - 0,50
   Na₂O - 0,17