RU2262556C1 - Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития - Google Patents
Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития Download PDFInfo
- Publication number
- RU2262556C1 RU2262556C1 RU2004107419/15A RU2004107419A RU2262556C1 RU 2262556 C1 RU2262556 C1 RU 2262556C1 RU 2004107419/15 A RU2004107419/15 A RU 2004107419/15A RU 2004107419 A RU2004107419 A RU 2004107419A RU 2262556 C1 RU2262556 C1 RU 2262556C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- moo
- temperature
- furnace
- crystals
- crystal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B9/00—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано в лазерной технике при изготовлении преобразователей частоты лазерного излучения. Готовят шихту состава, определенного областью АВС диаграммы трехкомпонентной смеси Li2О-В2О3-МоО3, где координаты составов определены следующими точками, мол. доли: A: Li2O - 0,24; В2О3 - 0,60; МоО3 - 0,16; B: Li2O - 0,20; В2O3 - 0,20; МоО3 - 0,60; С: Li2O - 0,3; В2О3 - 0,13; МоО3 - 0,57. Шихту перемешивают и загружают в печь с двумя и более зонами нагрева. Расплавление ведут порциями при 850°С. Раствор-расплав выдерживают при перемешивании, затем охлаждают до температуры на 5°С выше температуры насыщения, вносят затравку и выращивают кристалл при снижении температуры путем управления скоростями снижения температуры индивидуально на каждой из зон печи по нелинейному графику с увеличением скорости роста кристалла. Скорость снижения температуры на различных зонах печи может быть одинаковой (синхронный принцип) или различной (асинхронный принцип). Получают совершенные кристаллы массой не менее 400 г с незначительными включениями в периферийной зоне. До 90% общего объема кристалла пригодно для использования в нелинейной оптике. 5 ил.
Description
Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов, используемых в лазерной технике, в частности в преобразователях частоты лазерного излучения, и может быть использовано для получения нелинейно-оптического монокристалла трибората лития LiB3О5 (LBO).
Монокристалл трибората лития LiB3O5 (LBO) является одним из наиболее распространенных кристаллов для преобразования в видимой области и области ближнего ультрафиолета. Триборат лития обладает уникальным набором нелинейно-оптических свойств. В их числе следует отметить относительно высокий коэффициент преобразования, высокую лучевую стойкость >10 ГВт/см2 при λ=1,06 мкм и τ=1 нс, большой диапазон прозрачности (от 160 до 2600 нм), что обусловливает его предпочтительное использование для генерации второй и третьей гармоник излучения АИГ-Nd (алюмоиттриевый гранат с ниодимом) лазеров (λ=1,06 мкм) с высокой мощностью. Кристалл LBO обладает хорошими механическими свойствами и химически устойчив, что облегчает процесс оптической обработки.
Для получения высоких коэффициентов преобразования в лазерных системах используются нелинейно-оптические элементы длиной до 70 мм, а для лазеров с высокой мощностью необходимы элементы с большой апертурой (до 20×20 мм). При этом к самому кристаллу предъявляются жесткие технические требования. Возникает необходимость в получении крупных кристаллов LBO с хорошими оптическими характеристиками (отсутствие ростовых полос, минимальное количество включений и дислокации).
Известен ряд работ по выращиванию кристаллов трибората лития из раствор-расплава с использованием окиси молибдена методом снижения температуры, обеспечивающих получение кристаллов, пригодных для изготовления оптических элементов. Например, известен способ выращивания кристаллов LBO из тигля диаметром 88 мм методом снижения температуры из состава с содержанием окиси молибдена МоО3 44,5 вес.% с вращением тигля или кристалла. При этом получены кристаллы с сегментом, свободным от трещин и включений размерами в мм: 20·10·8. (C.Parfeniuk, I.V.Samarasekera, F.Weinberg, J.Edel, K.Fjeldsted, B.Lent. Growth of lithium triborate crystals, J.of Crystal Growth, 158(1996) 523-533).
Известен также способ получения кристаллов LBO (C.Chen, Y.Wu, A.Jiang, B.Wu, G.You, R.Li and S.Lin US Patent №4826283, Int. C 17 G 02 B 6/10, H 01 F 7/0, pabl. 2.05.89) в системе Li2O - В2О3 - МоО3, включающий растворение исходных материалов Li2СО3 (46,4 г), Н3ВО3 (203,9 г) и МоО3 (158,3 г) и рост методом снижения температуры от 670 до 580°С со скоростью 5°/сутки из Pt тигля диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Выращенный кристалл поднимали из расплава и затем охлаждали до комнатной температуры со скоростью 100°С/час. Полученные кристаллы имели размеры в мм: 20·35·9. Во время роста затравка вращалась со скоростью 30 об/мин.
В то же время при проведении выращивания из окиси молибдена невозможно получить кристаллы большого размера с хорошими оптическими характеристиками, так как при низкой концентрации МоО3 расплав обладает большой вязкостью, что затрудняет конвекцию в расплаве и приводит к образованию включений, а при увеличении концентрации МоО3 рост практически ограничивается эвтектической точкой 61,5 вес % МоО3.
Наиболее близким к изобретению (прототипом) является способ получения кристаллов LBO из раствор-расплава в системе Li2O - В2O3 - МоО3, взятый в качестве прототипа, включающий растворение исходных материалов Li2СО3, Н3ВО3 и МоО3 и рост кристалла методом снижения температуры от 750-790°С до 690-720°С со скоростью 1-2°С в сутки при его вытягивании со скоростью 0,3-1,3 мм/сутки (см. патент РФ №2112820 «Способ выращивания монокристаллов трибората лития», 1998 г.).
При этом при получении расплава в системе Li2O - В2О3 - МоО3 происходят известные реакции разложения реактивов Li2СО3, Н3ВО3 и МоО3. Выращивание производится из расплава, состав которого определен областью ABCD диаграммы трехкомпонентной системы; координаты системы определены точками, мол.доли:
А: Li2O - 0,18; В2O3 - 0,51; МоО3 - 0,31;
B: Li2O - 0,17; B2O3 - 0,83; МоО3 - 0;
С: Li2O - 0,04; В2O3 - 0,21; МоО3 - 0,75;
D: Li2O - 0,28; В2O3 - 0,07; МоО3 - 0,65.
Указанная область кристаллизации не обеспечивает возможность выращивания кристаллов достаточного размера хорошего оптического качества. Область точек А и В содержит большое количество оксида бора (В2O3), что затрудняет рост из-за большой вязкости расплава и приводит к образованию включений. Составы в области точек С и D содержат малое количество основного вещества, что не позволяет вырастить кристаллы большого размера. Область, прилегающая к разрезу ВС, находится вблизи эвтектической точки состава LiB3O5 - МоО3, что ограничивает рост кристалла. Высокая вязкость расплавов боратных соединений затрудняет массоперенос и приводит к концентрационному переохлаждению на фронте кристаллизации. При больших скоростях роста (1-2°С/сутки) это приводит к захвату растворителя и образованию включений.
При проведении процесса с вытягиванием из расплава рост производится в условиях высоких градиентов, что при анизотропии коэффициента температурного расширения кристалла в различных направлениях приводит к появлению напряжений и ведет к растрескиванию кристалла большого размера.
Максимальные размеры кристаллов не превышали, мм: 49·52·45, что не давало возможности получения оптических элементов размером, мм: более (5-15)·(5-15)·(5-30).
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является устранение указанных недостатков, препятствующих выращиванию крупных кристаллов LBO высокого оптического качества.
Указанная задача в способе выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития, включающем получение кристалла трибората лития из раствор-расплава в системе Li2O - В2O3 - МоО3 на затравку, путем снижения температуры расплава, достигается тем, что выращивание ведут из состава, который определен областью АВС диаграммы трехкомпонентной системы Li2O - В2О3 - МоО3 в печи с двумя и более зонами нагрева и управлением скоростями снижения температуры индивидуально на каждой из зон печи по нелинейному графику с увеличением скорости роста в течение процесса, при этом координаты составов определены следующими точками, мол.доли:
A: Li2O - 0,24; В2О3 - 0,60; МоО3 - 0,16;
В: Li2O - 0,20; В2O3 - 0,20; МоО3 - 0,60;
С: Li2O - 0,30; В2O3 - 0,13; МоО3 - 0,57.
Указанная область кристаллизации трибората лития из трехкомпонентной системы содержит высокую концентрацию основного вещества и позволяет выращивать кристаллы достаточного размера и избежать кристаллизации и сокристаллизации боратов состава Li2B4O7, Li2B8O13 и т.д. Использование полимолибдатов лития обеспечивают понижение вязкости раствор-расплава, увеличивает конвекцию в расплаве и приток основного вещества к фронту кристаллизации, что позволяет увеличить процент выхода годного материала без включений.
Использование печи с двумя и более зонами нагрева и управлением скоростями снижения температуры индивидуально на каждой из зон печи позволяет с большой точностью поддерживать стабильные условия на фронте кристаллизации, необходимые для формирования бездефектного кристалла.
Для обеспечения контроля за продвижением изотермы плавления в течение всего процесса роста кристалла и предотвращения концентрационного переохлаждения на фронте кристаллизации, что обеспечивает рост совершенных кристаллов, применяется управление скоростями снижения температуры, которое осуществляется как синхронно, так и асинхронно.
Синхронный принцип осуществляется путем снижения температуры с одинаковой скоростью на различных зонах нагревателя печи и дает возможность вырастить кристалл, вытянутый в радиальном направлении относительно тигля.
Асинхронный принцип осуществляется путем снижения температуры с различными скоростями на различных зонах нагревателя печи и дает возможность вырастить кристалл, вытянутый в аксиальном (осевом) направлении относительно тигля.
Для получения кристаллов весом около 400 г возможно использование двухзонной печи с управляемым температурным профилем.
Для получения больших кристаллов (весом более 600 г) необходимо использование трех и более зонной печи с управляемым температурным профилем.
Заявляемое изобретение позволяет получать крупные кристаллы LBO с хорошими оптическими характеристиками (отсутствие ростовых полос, минимальное количество включений и дислокации) и не имеет аналогов среди известных способов, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Данное изобретение поясняется на фиг.1-5.
На фиг.1 представлена диаграмма трехкомпонентной системы Li2O - В2O3 - МоО3, где 1 - треугольник АВС, означающий область роста LBO, 2 - выбранная точка в треугольнике АВС, взятая в качестве состава для роста в примерах 1-3.
На фиг.2 представлена схема двухзонной печи, где 3 - корпус печи с нагревателями; 4 - тигель; 5 - раствор-расплав; 6 - затравкодержатель; 7 - затравка (кристалл); 8 - нагреватель верхней зоны; 9 - нагреватель нижней зоны.
На фиг.3 представлена схема трехзонной печи, где 8 - нагреватель верхней зоны; 9 - нагреватель нижней зоны зоны; 10 - нагреватель средней зоны.
На фиг.4 представлены графики синхронного снижения температуры в процессе роста кристалла, где 11 - график снижения температуры нагревателя верхней зоны печи; 12 - график снижения температуры нагревателя нижней зоны печи.
На фиг.5 представлены графики асинхронного снижения температуры в процессе роста кристалла, где 13 - график снижения температуры нагревателей верхней и средней зон печи; 14 - график снижения температуры нагревателя нижней зоны печи.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. На диаграмме (см.фиг.1, позиция 1) выбирается состав в любой из точек 2 треугольника АВС. Навески исходных реактивов механически перемешиваются в стеклянных емкостях. Смесь загружается и расплавляется порциями в тигле 4 в печи 3 (см.фиг.2, 3). Далее расплав выдерживается для гомогенизации при 950°С в течение суток и двое суток при температуре 850°С перемешивается механической мешалкой. Затем расплав охлаждается до температуры на 5°С выше температуры насыщения, в расплав вносится затравка 7 на платиновом стержне 6 и начинается рост кристалла методом снижения температуры. После окончания процесса выращивания кристалл поднимается из расплава и охлаждается до комнатной температуры со скоростью 20-30°/час.
Варианты реализации заявляемого способа приведены в примерах 1-3.
Пример 1. Рассматривается вариант реализации заявляемого способа в однозонной печи. Естественным условием получения больших кристаллов является использование печей и тиглей большого диаметра. В случае проведения роста в однозонной печи большого диаметра управление тепловым полем затруднено, и в результате опытов отмечено возникновение ростовой полосчатости, что делает материал непригодным для использования в нелинейной оптике. Так, для получения кристалла LBO использован раствор-расплав, состав которого внутри области АВС содержит Li2O - 0,25; В2О3 - 0,30; МоО3 - 0,45 мольных долей. Навески исходных реактивов составили Li2СО3 - 442,8 г, В2О3 - 501,4 г, МоО3 - 1555,8 г. Шихта механически перемешивалась в стеклянных емкостях. Смесь загружалась и расплавлялась порциями в тигле объемом 1800 см3 в печи при температуре 850°С для получения расплава. Далее расплав был выдержан для гомогенизации при 950°С в течение суток и двое суток при температуре 850°С перемешивался механической мешалкой. Затем расплав охлаждался до температуры на 5°С выше температуры насыщения, в расплав вносилась затравка на платиновом стержне и начинался рост методом снижения температуры от ~750°С до 690°С. После окончания процесса выращивания на 55 сутки кристалл был поднят из расплава и температура охлаждена до комнатной со скоростью 20-30°/час. Опыт проводился в трубчатой однозонной печи омического сопротивления. В качестве регулирующей аппаратуры использовался одноканальный программируемый терморегулятор с точностью поддержания температуры 0,1°С. Скорости снижения температуры составляли от 0,2°С/сутки в начале роста до 1,5°С/сутки в конце роста. Выращенный кристалл весом в 340,0 г не содержал включений, но при этом отмечено возникновение ростовой полосчатости, что делает материал непригодным для использования в нелинейной оптике.
Пример 2. Состав и приготовление расплава аналогичны примеру 1, но рост кристалла осуществляли с использованием двухзонной печи с независимым регулированием нагревателей каждой из зон (см.фиг.2). В данном случае было применено синхронное снижение температуры на зонах нагревателя в процессе роста кристалла. Данный метод обеспечивает стабильные условия роста кристалла в течение всего процесса. Графики снижения температуры приведены на фиг.4, кривые 11 и 12. Выращен кристалл размером, мм: 100·90·50 и весом 420,6 г. Кристалл имеет незначительные включения в периферийной области и содержит до 90% общего объема материала пригодного для нелинейной оптики.
Пример 3. Состав и приготовление расплава аналогичны примеру 1, но рост кристалла осуществляли с использованием трехзонной печи с независимым регулированием нагревателей каждой из зон (см.фиг.3). В данном случае было использовано асинхронное снижение температуры на зонах нагревателя. Графики снижения температуры приведены на фиг.5, кривые 13 и 14. Это позволило вырастить кристалл размером, мм: 120·100·70 и весом 596,3 г, который содержит до 90% общего объема материала пригодного для нелинейной оптики.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получать кристаллы трибората лития высокого оптического качества и значительных размеров.
Claims (1)
- Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития, включающий получение кристалла трибората лития из раствора-расплава в системе Li2O-В2О3-МоО3 на затравке путем снижения температуры расплава, отличающийся тем, что выращивание ведут из состава, который определен областью АВС диаграммы трехкомпонентной системы Li2O-В2О3-МоО3 в печи с двумя и более зонами нагрева и управлением скоростями снижения температуры индивидуально на каждой из зон печи по нелинейному графику с увеличением скорости роста в течение процесса, при этом координаты составов определены следующими точками, мол.доли:A:Li2O - 0,24; В2О3 - 0,60; МоО3 - 0,16;B:Li2O - 0,20; В2О3 - 0,20; МоО3 - 0,60;C:Li2O - 0,30; В2О3 - 0,13; МоО3 - 0,57.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004107419/15A RU2262556C1 (ru) | 2004-03-15 | 2004-03-15 | Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития |
PCT/RU2005/000142 WO2005087984A1 (fr) | 2004-03-15 | 2005-03-11 | Procede permettant de faire croitre des cristaux parfaits de triborate de lithium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004107419/15A RU2262556C1 (ru) | 2004-03-15 | 2004-03-15 | Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2262556C1 true RU2262556C1 (ru) | 2005-10-20 |
Family
ID=34975613
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004107419/15A RU2262556C1 (ru) | 2004-03-15 | 2004-03-15 | Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2262556C1 (ru) |
WO (1) | WO2005087984A1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2681641C1 (ru) * | 2018-04-16 | 2019-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (Институт геологии и минералогии СО РАН, ИГМ СО РАН) | Способ выращивания кристалла трибората лития (варианты) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008097347A2 (en) | 2006-08-18 | 2008-08-14 | Drexel University | Method and device for air disinfection and sterilization |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0797297A (ja) * | 1993-09-28 | 1995-04-11 | Hitachi Metals Ltd | 三ホウ酸リチウム単結晶及びその製造方法 |
JPH07126099A (ja) * | 1993-10-28 | 1995-05-16 | Hitachi Metals Ltd | 三ホウ酸リチウム単結晶 |
RU2112820C1 (ru) * | 1996-07-16 | 1998-06-10 | Конструкторско-технологический институт монокристаллов СО РАН | Способ выращивания монокристаллов трибората лития |
RU2114221C1 (ru) * | 1996-08-23 | 1998-06-27 | Конструкторско-технологический институт монокристаллов СО РАН | Способ выращивания монокристаллов трибората лития |
-
2004
- 2004-03-15 RU RU2004107419/15A patent/RU2262556C1/ru not_active IP Right Cessation
-
2005
- 2005-03-11 WO PCT/RU2005/000142 patent/WO2005087984A1/ru not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2681641C1 (ru) * | 2018-04-16 | 2019-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (Институт геологии и минералогии СО РАН, ИГМ СО РАН) | Способ выращивания кристалла трибората лития (варианты) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2005087984A1 (fr) | 2005-09-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kouta et al. | β-BaB2O4 single crystal growth by Czochralski method. II | |
Itoh et al. | β-barium borate single crystal grown by a direct Czochralski method | |
Feigelson et al. | Solution growth of barium metaborate crystals by top seeding | |
CN103370452A (zh) | 制备具有高达500mm直径的掺杂石榴石结构的单晶 | |
US5611856A (en) | Method for growing crystals | |
Markgraf et al. | Top-seeded solution growth of LiB3O5 | |
US5343827A (en) | Method for crystal growth of beta barium boratean | |
CN106835262B (zh) | 一种生长四硼酸铝盐晶体的方法 | |
Pylneva et al. | Growth and non-linear optical properties of lithium triborate crystals | |
Kozuki et al. | Metastable crystal growth of the low temperature phase of barium metaborate from the melt | |
RU2262556C1 (ru) | Способ выращивания крупных совершенных кристаллов трибората лития | |
Feigelson et al. | Solution growth of CdGeAs2 | |
CN1254569C (zh) | 一种RE3+:KGd(WO4) 2激光晶体的生长方法 | |
Novoselov | Growth of large sapphire crystals: Lessons learned | |
Miyazawa et al. | Interface shape transitions in the Czochralski growth of Dy3Al5O12 | |
Post et al. | Crystal growth of AgGaS2 by the Bridgman-Stockbarger and travelling heater methods | |
Li et al. | Controlled growth of large β-BaB2O4 crystals based on theoretical guidelines | |
CN110685006A (zh) | 一种中红外非线性光学晶体poc及其制备方法 | |
JP2000264787A (ja) | 非線形光学結晶の製造方法 | |
Itoyama et al. | Growth of βII-Li3VO4 single crystals by the floating zone technique with the aid of a heat reservoir | |
RU2112820C1 (ru) | Способ выращивания монокристаллов трибората лития | |
RU2777116C1 (ru) | Способ получения борсодержащего монокристалла ниобата лития | |
CN115537912B (zh) | 一种消除晶体体发热的kgw晶体制备方法及得到的晶体 | |
CN102492990B (zh) | 一种NaRE(MoO4)2晶体的助熔剂生长方法 | |
CN117626432A (zh) | 一种消除无序型硅酸镓镧类晶体1.7-2.0μm吸收峰的方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180316 |