RU2747503C1 - Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов - Google Patents

Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов Download PDF

Info

Publication number
RU2747503C1
RU2747503C1 RU2020122772A RU2020122772A RU2747503C1 RU 2747503 C1 RU2747503 C1 RU 2747503C1 RU 2020122772 A RU2020122772 A RU 2020122772A RU 2020122772 A RU2020122772 A RU 2020122772A RU 2747503 C1 RU2747503 C1 RU 2747503C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crucible
components
temperature
holding
vacuum
Prior art date
Application number
RU2020122772A
Other languages
English (en)
Inventor
Валентин Александрович Юсим
Степан Эрвандович Саркисов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2020122772A priority Critical patent/RU2747503C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2747503C1 publication Critical patent/RU2747503C1/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002Crucibles or containers for supporting the melt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/04Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/12Halides

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 относится к химической технологии приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов. Способ включает смешивание исходных компонентов MeF2-RF3-PbF2, где Me – Са, или Ва, или Sr, R - РЗЭ, a PbF2 является поглотителем кислорода, их нагрев и выдержку, при этом в качестве R используют Еu3+, или Се3+, или Tm3+, или Nd3+, компоненты берут в стехиометрическом соотношении Me - 93%, R - 2%, PbF2 - 5%, или Me - 96%, R - 2%, PbF2 - 2%, или Me - 97%, R - 1%, PbF2 - 2%, с последующей их укладкой в графитовый тигель в форме «лодочки» с крышкой из того же материала, далее осуществляют установку тигля с компонентами в высокотемпературную вакуумную печь с графитовым тепловым узлом и нагрев в ней до температуры 200-250°С в вакууме с последующей выдержкой в течение 3-4 ч, затем нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 700-750°С в атмосфере вакуума с последующей выдержкой в течение 3-4 ч, нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 1000-1300°С в избыточной атмосфере вакуума и выдержкой 6 ч и последующей выдержкой в избыточной атмосфере фтороводорода HF или тетрафторметана CF4 в течение 6-8 ч и инерционное охлаждение полученного спека до комнатной температуры, при этом используют печь и тигель, не содержащие в составе своего материала молекул кислорода. Изобретение позволяет получать твердые спеки высокого качества без присутствия посторонних примесей, твердые спеки необходимой массы и размеров для заполнения всего объема изложницы графитового тигля при синтезе из него монокристалла (увеличение насыпного веса исходных компонентов), твердые спеки, при синтезе которых в монокристалле отсутствует усадка материал (то есть объем исходного спека равен объему синтезированного монокристалла), избежать нарушения стехиометрии расплава, так как получаемый твердый спек полностью используются при наплавлении в тигель, а следовательно, получать однородные по своему составу монокристаллы, избежать возникновение «кипящего слоя» и, как следствие, исключить попадание мелкодисперсной шихты в пространство теплового узла. 3 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к химической технологии, а именно к способам приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов.
Уровень техники
Известны различные методы подготовки шихты для выращивания тугоплавких монокристаллов на основе элементов оксидов.
Так, например, известен способ получения шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката (патент РФ №2126063), в котором, для получения монокристаллов лантангаллиевого силиката стехиометрического состава к смеси окислов лантана, галлия и кремния добавляют металлический галлий в заявленном диапазоне концентраций. Затем проводят нагрев в кислородсодержащей среде локально и кратковременно до начала протекания реакции самопроизвольного высокотемпературного синтеза в режиме горения.
Также известен способ твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого ниобата (La3Ga5,5Nb0,5O14), включающий смешивание оксидов лантана, галлия и оксида ниобия в определенном соотношении и последующий их нагрев до температуры синтеза и спекание в течение 6 часов (патент РФ №2160796) и аналогичный метод с применением наложения вибрационных колебаний с частотой 50-100 Гц и амплитудой 3-5 мм (патент РФ №2296824).
Недостатками всех вышеупомянутых способов является то, что они не пригодны в технологии подготовки шихты в случае ее использования для выращивания фторсодержащих монокристаллов.
Наиболее близким по технической сущности является лазерный кристалл фторида щелочноземельного металла легированный несколькими трехвалентными ионами и способ получения лазерного кристалла (CN 110760930 (А)). Данное изобретение относится к лазерному кристаллу фторида щелочноземельного металла, легированному множественными трехвалентными распределяющими ионами, и к способу получения лазерного кристалла. Химическая формула лазерного кристалла фторида щелочноземельного металла, легированного множественными трехвалентными распределяющими ионами, представляет собой Nd3+ , R3+ : MeF2, где Me представляет собой одно из Са, Sr и Ва, a R 3+ представляет собой по крайней мере два из Y3+ , La3+ , Gd3+ , Lu3+ и Sc3+ .
Недостатками известных способов является то, что применение мелкодисперсной шихты при выращивании монокристаллов способствует возникновению «кипящего слоя» в момент подачи газа или откачки атмосферы в кристаллизационной установки, что приводит к выбросам мелкодисперсной шихты из тигля в окружающее пространство внутри теплового узла кристаллизационной установки, а применение профилированных таблеток в тиглях сложной геометрической формы является нецелесообразно из-за образование пустот и как следствие дальнейшей усадки растущего кристалла.
Технической проблемой, на решение которой направлено данное изобретение является устранение выброса мелкодисперсной шихты из тигля в окружающее пространство внутри теплового узла кристаллизационной установки, а также получение готового спека при синтезе которого в монокристалле будет отсутствовать усадка материала (увеличение насыпного веса исходных компонентов).
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение твердого спека для последующего синтеза монокристаллов фторидов.
Для достижения технического результата предложен способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов, включающий смешивание исходных компонентов MeF2-RF3-PbF2 где Me - Са или Ва или Sr, R - РЗЭ, a PbF2 является поглотителем кислорода, их нагрев и выдержку, при этом, в качестве R используют Eu3+ , или Се3+ , или Tm3+ , или Nd3+ , компоненты берут в стехиометрическом соотношении Me - 93%, R - 2%, PbF2 - 5%, или Me - 96%, R - 2%, PbF2 - 2%, или Me - 97%, R - 1%, PbF2 - 2%, с последующей их укладкой в графитовый тигель в форме «лодочки» с крышкой из того же материала, далее осуществляют установку тигля с компонентами в высокотемпературную вакуумную печь с графитовым тепловым узлом и нагрев в ней до температуры 200-250°С в вакууме с последующей выдержкой в течении 3-4 ч, затем нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 700-750°С в атмосфере вакуума с последующей выдержкой в течении 3-4 ч, нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 1000-1300°С в избыточной атмосфере вакуума и выдержкой 6 ч и последующей выдержкой в избыточной атмосфере фтороводорода HF или тетрафторметана CF4 в течении 6-8 ч и инерционное охлаждение полученного спека до комнатной температуры, при этом используют печь и тигель, не содержащих в составе своего материала молекул кислорода.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана фотография готового твердого спека исходных компонентов CaF2:Eu3+ для синтеза монокристаллов фторидов (спек для метода ГНК).
На Фиг. 2 показана фотография готового твердого спека исходных компонентов CaF2:Eu3+ помещенного в графитовый тигель (метод ГНК) для синтеза монокристалла фторида.
На Фиг. 3 показана фотография, демонстрирующая отсутствие усадки (размеры готового спека исходных компонентов CaF2:Eu3+ практически идентичны размерам синтезированного монокристалла CaF2:Eu3) готового монокристалла CaF2:Eu3+ синтезированного из твердого спека исходных компонентов CaF21Eu3+ .
Осуществление изобретения
Одним из основных требований, предъявляемых к качеству синтезируемых кристаллов фторидов, является полное отсутствие нежелательных примесей.
В заявляемом изобретении отсутствие нежелательных примесей в приготавливаемом спеке осуществляется путем использования материалов печи и тиглей, не содержащих молекул кислорода в своей структуре, а также скоростью нагрева и выдержки с использованием подходящей атмосферы.
Например, используется графитовый тигель, в котором не происходит адгезии со спекаемым материалом, то есть используемый материал тигля способствует легкому извлечению готового спека из тигля. Форма изложницы тигля проектируется так чтобы готовый спек извлекаемый из нее повторял форму изложницы тигля для синтеза кристалла.
Способ получения твердого спека, включает в себя смешение исходных компонентов например: MeF2-RF3-PbF2 (где Me - Са или Ва или Sr, a R - Eu3+ или Се3+ или Tm3+ или Nd3+ ) при этом PbF2 является поглотителем кислорода, взятых в стехиометрическом соотношении, например, в системах исходных компонентов MeF2-RF3-PbF2, где Me - Са, Ва, Sr, a R - Eu3+ , процентное соотношение будет Me - 93%, R - 2%, PbF2 - 5%, или Me - 96%, R - 2%, PbF2 - 2%, или Me - 97%, R - 1%, PbF2 - 2% и т.д. в стехиометрическом соотношении, с последующей их укладкой в графитовый тигель в форме «лодочки» с крышкой из того же материала.
Далее тигль с компонентами устанавливают в высокотемпературную вакуумную печь с графитовым тепловым узлом и производят нагрев в ней до температуры 200-250°С в вакууме с последующей выдержкой в течении 3-4 часов.
Далее проводят нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 700-750°С в атмосфере вакуума с последующей выдержкой в течении 3-4 часов. После этого, проводят нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 1000-1300°С в избыточной атмосфере вакуума и выдерживают 6 часов с последующей выдержкой в избыточной атмосфере фтороводорода (HF) или тетрафторметана (CF4) с в течении 6-8 часов. После этого проводят инерционное охлаждение полученного спека до комнатной температуры.
Таким образом, описанная технология приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов, имеет цель - повышение насыпного веса исходного сырья для выращивания монокристалла и практически исключения усадки размеров растущего кристалла за счет формы изложницы тигля, спроектированной так чтобы готовый, спек извлекаемый из нее повторял форму изложницы тигля для синтеза кристалла. Ввиду особенности технологии выращивания монокристаллов в частности методом ГНК (большая площадь открытой поверхности используемых тиглей) из мелкодисперсного исходного порошка - шихты (размер зерен не более 0,001 мм), подобное брикетирование шихты, в отличие от использования мелкодисперсного порошкообразного исходного материала предотвращает возникновение «кипящего слоя» за счет его обезвоживания при первоначальном вакуумировании, в соответствии с применяемой технологией выращивания кристалла.
На Фиг. 1 показана фотография готового твердого спека исходных компонентов CaF2:Eu3+ для синтеза монокристаллов фторидов (спек для метода ГНК).
На Фиг. 2 показана фотография готового твердого спека исходных компонентов CaF2:Eu3+ помещенного в графитовый тигель (метод ГНК) для синтеза монокристалла фторида.
На Фиг. 3 показана фотография, демонстрирующая отсутствие усадки (размеры готового спека исходных компонентов CaF2:Eu3+ практически идентичны размерам синтезированного монокристалла CaF21Eu3+) готового монокристалла CaF2:Eu3+ синтезированного из твердого спека исходных компонентов CaF21.Eu3+ .
Таким образом, предложенный способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов позволяет:
- получать твердые спеки высокого качества без присутствия посторонних примесей;
- получать твердые спеки необходимой массы и размеров для заполнения всего объема изложницы графитового тигля при синтезе из него монокристалла (увеличение насыпного веса исходных компонентов);
- получать твердые спеки при синтезе которых в монокристалл отсутствует усадка материал (то есть объем исходного спека равен объему синтезированного монокристалла);
- избежать нарушения стехиометрии расплава, так как получаемый твердый спек полностью используются при наплавлении в тигель, а, следовательно, получать однородные по своему составу монокристаллы.
- избежать возникновение «кипящего слоя» и как следствие исключить попадание мелкодисперсной шихты в пространство теплового узла.

Claims (1)

  1. Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов, включающий смешивание исходных компонентов MeF2-RF3-PbF2, где Me – Са, или Ва, или Sr, R - РЗЭ, a PbF2 является поглотителем кислорода, их нагрев и выдержку, отличающийся тем, что в качестве R используют Еu3+, или Се3+, или Tm3+, или Nd3+, компоненты берут в стехиометрическом соотношении Me - 93%, R - 2%, PbF2 - 5%, или Me - 96%, R - 2%, PbF2 - 2%, или Me - 97%, R - 1%, PbF2 - 2%, с последующей их укладкой в графитовый тигель в форме «лодочки» с крышкой из того же материала, далее осуществляют установку тигля с компонентами в высокотемпературную вакуумную печь с графитовым тепловым узлом и нагрев в ней до температуры 200-250°С в вакууме с последующей выдержкой в течение 3-4 ч, затем нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 700-750°С в атмосфере вакуума с последующей выдержкой в течение 3-4 ч, нагрев тигля с компонентами в высокотемпературной отжиговой вакуумной печи до температуры 1000-1300°С в избыточной атмосфере вакуума и выдержкой 6 ч и последующей выдержкой в избыточной атмосфере фтороводорода HF или тетрафторметана CF4 в течение 6-8 ч и инерционное охлаждение полученного спека до комнатной температуры, при этом используют печь и тигель, не содержащие в составе своего материала молекул кислорода.
RU2020122772A 2020-07-09 2020-07-09 Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов RU2747503C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122772A RU2747503C1 (ru) 2020-07-09 2020-07-09 Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122772A RU2747503C1 (ru) 2020-07-09 2020-07-09 Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2747503C1 true RU2747503C1 (ru) 2021-05-05

Family

ID=75850913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020122772A RU2747503C1 (ru) 2020-07-09 2020-07-09 Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2747503C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1550745A1 (en) * 2003-12-24 2005-07-06 Corning Incorporated Metal fluoride crystals suitable for UV applications prepared from particles having a small surface area
CN110541198A (zh) * 2018-05-29 2019-12-06 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种显示色域可大范围调控的铕离子掺杂氟化物晶体及其制备方法
CN110760930A (zh) * 2019-11-07 2020-02-07 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1550745A1 (en) * 2003-12-24 2005-07-06 Corning Incorporated Metal fluoride crystals suitable for UV applications prepared from particles having a small surface area
CN110541198A (zh) * 2018-05-29 2019-12-06 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种显示色域可大范围调控的铕离子掺杂氟化物晶体及其制备方法
CN110760930A (zh) * 2019-11-07 2020-02-07 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XUEYUAN CHEN et al. Upconversion color tunability and white light generation in Yb3+/Er3+/Tm3+ tri-doped CaF2 single crystals, "Optical Materials", 2019, Vol.90, pp. 40-45. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Processing and properties of garnet‐type Li7La3Zr2O12 ceramic electrolytes
Agrafiotis et al. Self-propagating high-temperature synthesis of MnZn-ferrites for inductor applications
JPH0527454B2 (ru)
CN110067024B (zh) 光电功能晶体m3re(po4)3及其制备方法
CN1187483C (zh) 铌锌酸铅-钛酸铅固溶体单晶的熔体法生长
Bing et al. Effects of chemical compositions on the growth of relaxor ferroelectric Pb (Sc1/2Nb1/2) 1− xTixO3 single crystals
RU2747503C1 (ru) Способ приготовления шихты для выращивания монокристаллов фторидов
Suda et al. Crystal growth of La2Zr2O7 by micro-pulling-down method using mo and W crucibles
CN120518079B (zh) 一种碳化硅晶体生长用粒径可控碳化硅粉料及其合成方法和应用
JP2004043241A (ja) 高純度炭化けい素焼結体およびその製造方法
JP3463941B2 (ja) レーザ用多結晶透明セラミックス
CN110092411B (zh) 一种含镓石榴石结构闪烁晶体的多晶料合成装置及合成方法
RU2830185C1 (ru) Способ получения плавленой алюмомагнезиальной шпинели
CN108277536A (zh) 一种合成LiXSe2多晶化合物与单晶体的方法
US2922213A (en) Process for agglomerating aluminum nitride and resultant product
CN114959868A (zh) 一种主动气氛调节的晶体生长方法
RU2245402C2 (ru) Способ получения монокристаллов алюмината лития
CN119525508B (zh) 一种高寿命掺杂钨条的制备方法
CN119352157B (zh) 一类碱金属稀土氧化物NaRO2晶体及其生长方法与应用
RU2296824C1 (ru) Способ получения шихты для выращивания монокристаллов на основе оксидов редкоземельных, рассеянных и тугоплавких металлов или кремния
KR20250112508A (ko) 플럭스법을 이용한 맥스 상(MAX phase)의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 맥스 상, 이를 이를 포함하는 맥신(MXene) 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 맥신 시트
US20250146180A1 (en) Post-treatment of lithium tantalate single crystal and method for manufacturing lithium tantalate single crystal substrate using the same
RU2718697C1 (ru) Способ получения сложного оксида манганита BaLn2Mn2O7+δ
RU2732513C1 (ru) Способ выращивания кристалла из испаряющегося раствор-расплава
KR20250112507A (ko) 플럭스법을 이용한 맥스 상(MAX phase)의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 맥스 상, 이를 이를 포함하는 맥신(MXene) 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 맥신 시트