RU2471896C1 - Method of growing bulk monocrystals of alexandrite - Google Patents
Method of growing bulk monocrystals of alexandrite Download PDFInfo
- Publication number
- RU2471896C1 RU2471896C1 RU2011143328/05A RU2011143328A RU2471896C1 RU 2471896 C1 RU2471896 C1 RU 2471896C1 RU 2011143328/05 A RU2011143328/05 A RU 2011143328/05A RU 2011143328 A RU2011143328 A RU 2011143328A RU 2471896 C1 RU2471896 C1 RU 2471896C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystal
- temperature
- alexandrite
- growing
- solution
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения объемных монокристаллов александрита, и может быть использовано для получения высококачественного сырья для изготовления оптических элементов лазерных систем.The invention relates to methods for producing crystals, and in particular to a method for producing bulk single crystals of alexandrite, and can be used to produce high-quality raw materials for the manufacture of optical elements of laser systems.
Известен способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, включающий расплавление исходной шихты из оксидов бериллия и алюминия и выращивание кристалла при постоянной температуре, близкой к температуре фазового перехода (1853°С), причем в качестве исходной используют шихту со стехиометрическим по отношению к BeO·Al2O3 составом, а выращивание кристалла α-модификации производят методом горизонтальной направленной кристаллизации (Гуров В.В., Цветков Е.Г. «Исследование высокотемпературного полиморфного перехода в хризоберилле», Неорганические материалы, 1998, т.34, №7, стр.864-866).A known method of growing bulk single crystals of chrysoberyl and its varieties, including melting the initial charge from beryllium and aluminum oxides and growing the crystal at a constant temperature close to the phase transition temperature (1853 ° C), using a charge with a stoichiometric ratio to BeO Al 2 O 3 composition, and the cultivation of α-crystal modification produced by the method of horizontal directional solidification (Gomov VV, Tsvetkov EG "The high-temperature polymorphic transition Chrysoberyl in "Inorganic Materials, 1998, t.34, №7, str.864-866).
Использование шихты стехиометрического по отношению к BeO·Al2O3 состава позволяет выращивать объемные монокристаллы хризоберилла с достаточно высокой линейной скоростью кристаллизации.The use of a batch of stoichiometric composition with respect to BeO · Al 2 O 3 allows one to grow bulk chrysoberyl single crystals with a sufficiently high linear crystallization rate.
Однако по данному способу очень сложно вырастить объемный монокристалл, что объясняется следующим: равновесная кристаллизация стехиометрического расплава начинается с образования при 1870°С высокотемпературной модификации с плотностью около 2,7 г/см3, а при снижении температуры кристалла до 1853°С происходит переход высокотемпературной β-модификации кристалла в низкотемпературную α-модификацию, имеющую орторомбическую структуру и плотность 3,7 г/см3, что приводит к растрескиванию кристалла и образованию мелкокристаллического агрегата.However, according to this method, it is very difficult to grow a bulk single crystal, which is explained by the following: equilibrium crystallization of a stoichiometric melt begins with the formation at 1870 ° C of a high-temperature modification with a density of about 2.7 g / cm 3 , and when the crystal temperature decreases to 1853 ° C, a high-temperature transition occurs β-modification of the crystal into a low-temperature α-modification having an orthorhombic structure and a density of 3.7 g / cm 3 , which leads to cracking of the crystal and the formation of a fine crystalline aggregate.
Известен способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, описанный в патенте РФ на изобретение №2315134 «Способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей», заявленный 2006.06.05, опубликованный 2008.01.20 и выбранный в качестве прототипа, включающий растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла.A known method of growing bulk single crystals of chrysoberyl and its varieties described in the patent of the Russian Federation for invention No. 2315134 "Method for growing bulk single crystals of chrysoberyl and its varieties", claimed 2006.06.05, published 2008.01.20 and selected as a prototype, including the dissolution of the original charge, its homogenization, introduction into the solution of a rotating single-crystal seed and crystal growth.
Данный способ обеспечивает выращивание объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей в условиях гарантированного затравливания единичного объемного монокристалла низкотемпературной фазы и последующего разращивания его в области устойчивости этой фазы с высокой массовой скоростью роста.This method provides for the growth of bulk single crystals of chrysoberyl and its varieties under conditions of guaranteed seeding of a single bulk single crystal of a low-temperature phase and its subsequent growth in the stability region of this phase with a high mass growth rate.
Данный способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей имеет следующие недостатки:This method of growing bulk single crystals of chrysoberyl and its varieties has the following disadvantages:
- для полного исключения самопроизвольного перехода низкотемпературной фазы в высокотемпературную в процессе роста необходимо применение высокоточного дорогостоящего оборудования для регулирования температуры из-за близости температуры процесса к температуре фазового перехода;- to completely eliminate the spontaneous transition of the low-temperature phase to the high-temperature phase during the growth process, it is necessary to use high-precision expensive equipment for temperature control due to the proximity of the process temperature to the phase transition temperature;
- из-за высокой рабочей температуры процесс можно вести только в среде инертного газа или вакууме и невозможно использовать данную методику для получения кристаллов на воздухе, что ведет к усложнению конструкции ростовой печи, увеличивая ее стоимость и усложняя обслуживание.- due to the high operating temperature, the process can only be carried out in an inert gas or vacuum, and it is impossible to use this technique to obtain crystals in air, which leads to the complexity of the growth furnace design, increasing its cost and complicating maintenance.
Это происходит за счет того, что выделяющаяся при кристаллизации кристалла теплота, нагревает слои расплава вблизи фронта кристаллизации, что создаст условия для перехода нестабильной при этой температуре низкотемпературной фазы в стабильную высокотемпературную.This is due to the fact that the heat released during crystallization of the crystal heats the melt layers near the crystallization front, which will create conditions for the transition of the unstable low-temperature phase to a stable high-temperature one at this temperature.
Заявляемое изобретение обеспечивает решение технической задачи выращивания объемных монокристаллов александрита оптического качества при гарантированном затравливании единичного объемного монокристалла его низкотемпературной фазы.The claimed invention provides a solution to the technical problem of growing bulk single crystals of alexandrite of optical quality with guaranteed seeding of a single bulk single crystal of its low-temperature phase.
Заявляемое техническое решение основано на впервые установленной зависимости между составом раствора и режимом выращивания объемного монокристалла александрита при контролируемом температурном перепаде.The claimed technical solution is based on the first established relationship between the composition of the solution and the mode of growing a bulk single crystal of alexandrite at a controlled temperature drop.
Такая зависимость и достигаемый технический результат не могли быть предсказаны заранее на основе анализа известных из уровня техники зависимостей. Конкретные значения количественных признаков также не следуют из известных знаний и впервые установлены авторами экспериментально.Such a dependence and the achieved technical result could not be predicted in advance based on the analysis of dependencies known from the prior art. Specific values of quantitative traits also do not follow from known knowledge and were first experimentally established by the authors.
Исходная шихта содержит основные компоненты BeO, Al2O3, а также растворитель. Именно состав растворителя является сущностью предлагаемого изобретения.The initial mixture contains the main components of BeO, Al 2 O 3 , as well as a solvent. The composition of the solvent is the essence of the invention.
Способ выращивания объемных монокристаллов александрита заключается в подготовке исходной шихты. При этом в тигель помещают алюминат бериллия с добавкой оксида хрома (до 1 мас.%), в количестве 40 мас.%. В тигель также вводят 60 мас.% растворителя - смеси оксидов свинца (95-98 мас.%) и бора (2-5 мас.%). После этого раствор нагревают до температуры 1250°С, выдерживают при этой температуре 2-4 дня, опускают затравку и производят процесс выращивания при осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/сек. При меньшем осевом градиенте невозможно достичь качественного роста вследствие возникновения зон автономного роста и ячеистой структуры роста.A method of growing bulk single crystals of alexandrite is to prepare the original mixture. In this case, beryllium aluminate with the addition of chromium oxide (up to 1 wt.%), In an amount of 40 wt.%, Is placed in the crucible. 60 wt.% Solvent is also introduced into the crucible - a mixture of lead oxides (95-98 wt.%) And boron (2-5 wt.%). After that, the solution is heated to a temperature of 1250 ° C, kept at this temperature for 2-4 days, the seeds are lowered and the growing process is carried out at an axial temperature gradient of 2 to 20 ° C, drawing speed up to 5 mm / day, rotation speed up to 10 rpm sec With a smaller axial gradient, it is impossible to achieve high-quality growth due to the emergence of zones of autonomous growth and the cellular structure of growth.
Скорость вытягивания 5 мм/сутки является оптимальной, т.к. при большей скорости происходит захват питающего раствора и газовых включений, а при меньшей - снижение массовой скорости роста объемных монокристаллов.A drawing speed of 5 mm / day is optimal, because at a higher speed, the feed solution and gas inclusions are captured, and at a lower rate, the mass growth rate of bulk single crystals decreases.
Частота вращения 10 об/сек является оптимальной, т.е. обеспечивает качественный рост. Превышение данной величины ведет к потере стабильности формы поперечного кристалла, в то время как при меньшей частоте возникает вероятность захвата включений питающего раствора вследствие недостаточного перемешивания раствора вблизи фронта кристаллизации.A rotational speed of 10 rpm is optimal, i.e. provides quality growth. Exceeding this value leads to a loss in the stability of the shape of the transverse crystal, while at a lower frequency there is a possibility of capture of inclusions of the feed solution due to insufficient mixing of the solution near the crystallization front.
Температуру при этом поддерживают постоянной, а процесс кристаллизации идет за счет постоянного массопереноса шихты александрита из более горячей донной части тигля в зону кристаллизации - верхнюю часть, где происходит рост кристалла. При этом установлено, что введение в раствор 2-5 мас.% оксида бора в виде борной кислоты ускоряет процесс растворения компонентов александрита, создает оптимальные гидродинамические течения в тигле, что способствует отводу выделяющихся при кристаллизации растворенных газов и повышает качество кристаллов, а сам оксид бора препятствует испарению оксида свинца - основного компонента шихты).The temperature is kept constant, and the crystallization process is due to the constant mass transfer of the alexandrite mixture from the hot bottom of the crucible to the crystallization zone - the upper part, where the crystal grows. It was found that the introduction of 2-5 wt.% Boron oxide in the form of boric acid into the solution accelerates the dissolution of alexandrite components, creates optimal hydrodynamic flows in the crucible, which contributes to the removal of dissolved gases released during crystallization and improves the quality of crystals, and boron oxide itself prevents the evaporation of lead oxide - the main component of the charge).
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "новизна" и "изобретательский уровень".When conducting a search on the sources of patent and scientific and technical information, no solutions were found containing the totality of the proposed features, which allows us to conclude that the proposed method meets the criteria of "novelty" and "inventive step".
Пример 1. 100 г исходной шихты, состоящей из 40% александрита и 60 мас.% растворителя загружают в платиновый тигель и выдерживают при температуре 1250°С 2-4 дня для насыщения раствора. Состав александрита BeAl2O4:Cr - 25 мас.% BeO, 74,9 мас.% Al2O3 и 0,1 мас.% Cr2O3. Состав растворителя - 98 мас.% PbO и 2% B2O3. После чего монокристалличсскую затравку, которая имеет размеры 15×2×2 мм с углом наклона острия 45°, вводят в поверхность раствора при температуре 1250°С и частоте вращения 5 об/сек. В дальнейшем скорость вращения затравки не меняют и кристалл вытягивают со скоростью 3 мм/сут. За три дня кристалл разрастается до сечения 8×10 мм и через 40 суток кристалл отделяют от поверхности раствора, охлаждают со скоростью до 300°С/час. Полученный кристалл ориентирован вдоль оси [001], без учета конуса разрастания имеет длину 120 мм (сечение 8×10 мм) и пригоден для изготовления лазерного стержня.Example 1. 100 g of the original mixture, consisting of 40% alexandrite and 60 wt.% Solvent is loaded into a platinum crucible and kept at a temperature of 1250 ° C for 2-4 days to saturate the solution. The composition of alexandrite BeAl 2 O 4 : Cr - 25 wt.% BeO, 74.9 wt.% Al 2 O 3 and 0.1 wt.% Cr 2 O 3 . The composition of the solvent is 98 wt.% PbO and 2% B 2 O 3 . After that, a single-crystal seed, which has dimensions 15 × 2 × 2 mm with an angle of inclination of the tip of 45 °, is introduced into the surface of the solution at a temperature of 1250 ° C and a rotation frequency of 5 rpm. Subsequently, the speed of rotation of the seed does not change and the crystal is pulled at a speed of 3 mm / day. For three days, the crystal grows to a cross section of 8 × 10 mm and after 40 days, the crystal is separated from the surface of the solution, cooled at a rate of up to 300 ° C / hour. The resulting crystal is oriented along the [001] axis, without taking into account the growth cone, has a length of 120 mm (cross section 8 × 10 mm) and is suitable for the manufacture of a laser rod.
Пример 2. 100 г исходной шихты с составом 25 мас.% BeO, 74,9 мас.% Al2O3 и 0,1 мас.% Cr2O3 и 60 мас.% растворителя - 98 мас.% PbO и 2% B2O3 загружают в платиновый тигель и выдерживают при температуре 1250°С 2-4 дня для насыщения раствора. После чего монокристаллическую затравку, которая имеет размеры 15×2×2 мм с углом наклона острия 45°, вводят в раствор при температуре 1250°С и частоте вращения 5 об/сек. В дальнейшем скорость вращения затравки не меняют и кристалл не вытягивают. За 30 дней кристалл достигает 70% площади тигля. Кристалл отделяют от остатков раствора, охлаждают со скоростью до 300°С/час. Полученный кристалл ориентирован вдоль оси [001], имеет диаметр до 40 мм, длиной до 20 мм и пригоден для изготовления лазерных элементов.Example 2. 100 g of the original mixture with a composition of 25 wt.% BeO, 74.9 wt.% Al 2 O 3 and 0.1 wt.% Cr 2 O 3 and 60 wt.% Solvent - 98 wt.% PbO and 2 % B 2 O 3 is loaded into a platinum crucible and kept at a temperature of 1250 ° C for 2-4 days to saturate the solution. Then a single-crystal seed, which has dimensions of 15 × 2 × 2 mm with an angle of inclination of the tip of 45 °, is introduced into the solution at a temperature of 1250 ° C and a rotation speed of 5 rpm. In the future, the speed of rotation of the seed does not change and the crystal is not stretched. In 30 days, the crystal reaches 70% of the crucible area. The crystal is separated from the remainder of the solution, cooled at a rate of up to 300 ° C / hour. The resulting crystal is oriented along the [001] axis, has a diameter of up to 40 mm, a length of up to 20 mm, and is suitable for the manufacture of laser elements.
Описанные в примерах эксперименты были проведены на резистивной ростовой печи с керамическим тепловым узлом на воздухе из платинового тигля при контролируемом температурном градиенте, что достигается за счет дополнительных нагревательных элементов, расположенных в непосредственной близости сверху и снизу тигля. Регулирующая термопара была размещена непосредственно под тиглем.The experiments described in the examples were carried out on a resistive growth furnace with a ceramic thermal unit in air from a platinum crucible with a controlled temperature gradient, which is achieved due to additional heating elements located in close proximity to the top and bottom of the crucible. A control thermocouple was placed directly below the crucible.
Полученные в примерах кристаллы имеют оптическое качество, низкую плотность дислокации и пригодны для изготовления активных элементов лазерных систем. На всех выращенных кристаллах присутствуют гранные формы роста, фронт кристаллизации во всех примерах плоский.The crystals obtained in the examples have optical quality, low dislocation density, and are suitable for the manufacture of active elements of laser systems. All grown crystals have faceted growth forms, the crystallization front is flat in all examples.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011143328/05A RU2471896C1 (en) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | Method of growing bulk monocrystals of alexandrite |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011143328/05A RU2471896C1 (en) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | Method of growing bulk monocrystals of alexandrite |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2471896C1 true RU2471896C1 (en) | 2013-01-10 |
Family
ID=48806096
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011143328/05A RU2471896C1 (en) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | Method of growing bulk monocrystals of alexandrite |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2471896C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3912521A (en) * | 1973-04-30 | 1975-10-14 | Creative Crystals Inc | Synthetic crystal and method of making same |
JPS60155597A (en) * | 1984-01-24 | 1985-08-15 | Mitsui Mining & Smelting Co Ltd | Manufacture of chrysoberyl single crystal |
RU94018432A (en) * | 1994-05-20 | 1996-06-27 | Институт минералогии и петрографии СО РАН | Method of alexandrite crystals growing |
RU2315134C1 (en) * | 2006-06-05 | 2008-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (ЮУрГУ) | Method of growing bulk chrysoberyl monocrystals and varieties thereof |
-
2011
- 2011-10-26 RU RU2011143328/05A patent/RU2471896C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3912521A (en) * | 1973-04-30 | 1975-10-14 | Creative Crystals Inc | Synthetic crystal and method of making same |
JPS60155597A (en) * | 1984-01-24 | 1985-08-15 | Mitsui Mining & Smelting Co Ltd | Manufacture of chrysoberyl single crystal |
RU94018432A (en) * | 1994-05-20 | 1996-06-27 | Институт минералогии и петрографии СО РАН | Method of alexandrite crystals growing |
RU2315134C1 (en) * | 2006-06-05 | 2008-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (ЮУрГУ) | Method of growing bulk chrysoberyl monocrystals and varieties thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104471118B (en) | SiC single crystal ingot and its manufacture method | |
JP5434801B2 (en) | Method for producing SiC single crystal | |
CN104870698B (en) | The manufacture method of n-type SiC monocrystal | |
JP6053018B2 (en) | Crystal growth method | |
KR20070039607A (en) | Method of growing single crystals from melt | |
CN110042461A (en) | A kind of growing method increasing heat transmitting large scale zinc-germanium phosphide crystal | |
CN109576777A (en) | Crystal growth double crucible and crystal growth technique | |
RU2471896C1 (en) | Method of growing bulk monocrystals of alexandrite | |
RU2005137297A (en) | Cd1-xZnxTE, WHERE 0≤x≤1 | |
CN112239890B (en) | Compound single crystal and method for producing same | |
Chen et al. | Growth of lead molybdate crystals by vertical Bridgman method | |
Shen et al. | Influence of the pulling rate on the properties of ZnGeP2 crystal grown by vertical Bridgman method | |
CN113061971A (en) | Controllable growth method of temperature difference positioning induced perovskite single crystal | |
Novoselov | Growth of large sapphire crystals: Lessons learned | |
CN105970286B (en) | A kind of method of more crucible liquid phase epitaxy SiC crystals | |
JP5262346B2 (en) | Method for producing silicon single crystal | |
RU2315134C1 (en) | Method of growing bulk chrysoberyl monocrystals and varieties thereof | |
RU2556114C2 (en) | Method of growing sodium-bismuth molybdate monocrystals | |
RU2262556C1 (en) | Method of growing large perfect crystals of lithium triborate | |
CN112250663B (en) | Compound single crystal and method for producing same | |
JP2016130205A (en) | Production method for sapphire single crystal | |
RU2542313C2 (en) | Method for rubidium-bismuth molybdate monocrystal growing | |
CN115029783B (en) | Indium arsenide monocrystal growth method based on VB method and VGF method | |
RU2753671C1 (en) | METHOD FOR PRODUCING Bi4Ge3O12 BISMUTH GERMANATE BY CASTING | |
RU2261297C1 (en) | Using amosov method for growing monocrystals from melt |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141027 |