WO2022028800A1 - Verfahren und vorrichtung zum züchten eines seltenerd-sesquioxid-kristalls - Google Patents

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WO2022028800A1
WO2022028800A1 PCT/EP2021/068687 EP2021068687W WO2022028800A1 WO 2022028800 A1 WO2022028800 A1 WO 2022028800A1 EP 2021068687 W EP2021068687 W EP 2021068687W WO 2022028800 A1 WO2022028800 A1 WO 2022028800A1
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crystal
oxide
rare earth
earth sesquioxide
starting material
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PCT/EP2021/068687
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French (fr)
Inventor
Christian KRÄNKEL
Emile HAURAT
Anastasia UVAROVA
Detlef Klimm
Christo Guguschev
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Forschungsverbund Berlin E.V.
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    • 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
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/22—Complex oxides
    • 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
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • 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
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers

Definitions

  • the invention relates to a method for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt.
  • the invention further relates to a crystal growth system for growing a rare earth sesquioxide crystal having a cubic crystal structure.
  • Rare earth sesquioxide crystals have a ratio of a rare earth metal (rare earths for short) to oxygen of 1 to 1.5. Examples of rare earth sesquioxide crystals are scandium oxide (Sc 2 O 3 ), lutetium oxide (Lu 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ) and neodymium oxide (Nd 2 O 3 ).
  • DE 197 02465 A1 describes how a rhenium crucible is suitable for growing, inter alia, single crystals of scandium oxide or yttrium oxide, but also of scandium yttrium oxide and lutetium yttrium oxide from the melt using the Czochralski method.
  • a single crystal is grown from a melt by first melting a starting material in a heated crucible. A seed crystal attached to a holder is then brought into contact with the melt. Without losing contact with the melt, the seed crystal is slowly pulled in the direction perpendicular to the surface of the melt while rotating it. Due to a slight supercooling at the solid-liquid phase boundary, the solidifies Melt at the seed crystal and the monocrystal continues to grow in a controlled manner through suitable process control.
  • the invention is also based on the object of providing an improved crystal growth system for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure.
  • the invention proposes a method for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt, the rare earth sesquioxide crystal containing at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandium oxide , preferably at least 15% scandium oxide.
  • the method according to the invention comprises the step:
  • a starting material which has at least yttrium oxide and scandium oxide, in a crucible consisting of a material which has a melting temperature of below 3000° C., preferably below 2800° C., particularly preferably below 2500° C., in particular between 2200°C and 2500°C.
  • a melting temperature refers to the temperature at which a substance or mixture of substances begins to melt, ie at which it begins to change from its solid to its liquid aggregate state.
  • the melting temperature of a pure substance at a defined pressure is called the melting point.
  • the melting point is given at atmospheric pressure.
  • the melting temperature is also referred to as the solidus temperature.
  • the solidus temperature is the temperature at which the mixture of substances begins to melt.
  • the liquidus temperature is given for a mixture of substances. The liquidus temperature indicates the temperature at which the mixture of substances melts completely.
  • the solidus point or liquidus point of a mixture of substances describes the solidus temperature or the liquidus temperature of a mixture of substances at a defined pressure.
  • the invention includes the finding that rare earth sesquioxide crystals made of scandium oxide or yttrium oxide are not grown from iridium crucibles using conventional crystal growth methods, in particular not using the Czochralski method, due to their melting points of over 2400° C. in each case be able.
  • the melting point of iridium is 2466 °C. If the melt is above 2200°C, it will come through increasing grain growth in the iridium crucible and associated stresses leading to crack formation in the crucible and thus to leakage from the crucible.
  • the targeted heat dissipation through the growing crystal is regularly important in order to maintain the necessary temperature gradients, so that the crystal to be grown has a lower temperature than the melt and the material on the seed crystal crystallizes.
  • a temperature gradient from the melt through the crystal to the drawing rod is required.
  • Targeted temperature gradients also avoid the formation of stresses due to excessive temperature differences in the growing crystal.
  • Rare earth sesquioxide crystals of scandium oxide or yttrium oxide have therefore hitherto generally been produced using the HEM (heat exchanger method) method using rhenium crucibles and not the Czochralski method using other crucibles with lower melting temperatures , For example, iridium crucibles produced. Since the processing of rhenium into crucibles is complex and therefore expensive due to its hardness and very high melting point, rare earth sesquioxide crystals made of scandium oxide or yttrium oxide have so far only been used commercially on a small scale, although they are well suited for the production of laser materials , especially for rare-earth-doped solid-state lasers.
  • HEM heat exchanger method
  • Binary or ternary rare earth sesquioxide crystals containing at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, can be grown using the method according to the invention.
  • a rare earth sesquioxide crystal grown by the method may contain only scandium oxide and yttria such that the proportions of scandium oxide and yttria add up to 100%, which includes growing the binary rare earth sesquioxide crystal with dopant atoms can be endowed. Accordingly, a total proportion of 100% does not rule out the presence of doping atoms, in particular with a proportion of a few percent, for example up to 15%.
  • a substance is considered to be doping in particular if the doping atoms are essentially responsible for the laser-relevant optical properties of the material.
  • the method has the advantage that a rhenium crucible is not used to grow the rare earth sesquioxide crystal, but a crucible made of a material which has a melting temperature lower than the melting temperature of rhenium.
  • crucibles can be used in the method which have more favorable properties than rhenium crucibles, for example those made of iridium.
  • the manufacturing cost for growing a rare earth sesquioxide crystal can be remarkably reduced. This allows such rare earth sesquioxide crystals to become more interesting for commercial use. Since the rare earth sesquioxide crystal to be grown contains at least 15% scandia, the hexagonal phase of yttria can be bypassed so that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a cubic crystal structure. The fact that the rare earth sesquioxide crystal has a cubic crystal structure is advantageous for a large number of different applications.
  • Such applications include the use of the rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure as a host material for a laser crystal, but also as a substrate for functional crystalline layers that are to be applied lattice-matched or specifically strained on a monocrystalline substrate.
  • the invention is also based on the finding that a starting material from a mixture of substances which has at least yttrium oxide and scandium oxide can have a liquidus temperature which is below that of the individual components scandium oxide and yttrium oxide.
  • This makes it possible to use a crucible made of a material with a significantly lower melting temperature than the melting temperature of rhenium for growing the rare earth sesquioxide crystal.
  • the liquidus temperature of the starting material, which has at least scandium oxide and yttrium oxide can therefore be lowered below the melting point of the individual components scandium oxide and yttrium oxide because this mixture of substances behaves azeotropically.
  • the starting material consists, for example, of at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, and optionally further sesquioxides, such as in particular lutetium oxide and/or erbium oxide an azeotropic mixture series.
  • sesquioxides such as in particular lutetium oxide and/or erbium oxide an azeotropic mixture series.
  • the melting temperature of the mixture of substances can be lowered below that of the individual components.
  • an iridium crucible can be used in the process. If the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a liquidus temperature higher than 2200°C, there is a risk of destruction of the iridium crucible due to cracking due to grain growth. In addition, at higher temperatures, due to excessive temperature gradients, there is a risk of local overheating of the crucible and thus melting of the crucible.
  • a crucible made of a material other than iridium alone should be used in the process.
  • a material preferably has a melting temperature between that of iridium and rhenium.
  • a crucible made of an alloy for example an alloy of iridium and rhenium, is conceivable.
  • the method includes the step:
  • the crystal is produced by growing from the melt.
  • the rare earth sesquioxide crystal can be grown on a seed crystal by the Czochralski method.
  • the rare earth sesquioxide crystal is grown using the Czochralski method or the HEM method.
  • Rare-earth sesquioxide crystals produced by the Czochralski method or the HEM method can be produced with high crystal quality, making them suitable for laser crystals.
  • the method according to the invention can represent a modification of an already known crystal growth method, for example the Czochralski method. Process or the HEM process.
  • a rare earth sesquioxide crystal with at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide are grown, in which Czochralski method or the HEM method, a crucible is used which consists of a material which has a melting temperature of below 3000° C., preferably below 2800° C., particularly preferably below 2500° C., in particular between 2200° C. and 2500° C, has.
  • the method according to the invention can also be part of a modified skull melting method in which the starting material is melted in its own crucible.
  • the starting material is in powder form. In the skull melting process, only the central area of the powder is melted and the surrounding material serves as a crucible.
  • the method according to the invention can also be carried out as part of a modified “Bagdasarov” method, in which the powder is pushed through the hot zone in a boat-shaped crucible.
  • the "Bagdasarov” process is described, for example, in US Pat. No. 4,303,465.
  • HEM method is described, for example, in US Pat. No. 3,898,051.
  • the starting material comprises the substances of the rare earth sesquioxide crystal to be grown and preferably in the same proportions as are present in the rare earth sesquioxide crystal being grown. That is, when the rare earth sesquioxide crystal contains 60% yttria and 40% scandia, the starting material also contains 60% yttria and 40% scandia.
  • the starting material preferably has at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide.
  • the starting material is preferably in powder form.
  • the starting material can be in the form of granules or pieces with a maximum diameter of up to 1.5 cm.
  • the method can include the further step:
  • the rare earth sesquioxide crystal to be grown is to be used as a substrate for a functional layer that is to be applied lattice-matched or specifically strained to the substrate, for example to be grown on the substrate, the proportions of yttrium oxide and scandium oxide can be adjusted in the starting material in order to produce the rare earth sesquioxide crystal with such a lattice constant that corresponds to the lattice constant of the material of the functional layer or has a certain difference therefrom.
  • the lattice constant of the rare earth sesquioxide crystal is specified by the lattice constant of the functional layer and the proportions of yttrium oxide and scandium oxide in the starting material are selected accordingly.
  • the lattice constant of the rare earth sesquioxide crystal to be grown can be calculated, for example, using Vergard's rule, which takes into account the lattice constants of the individual components, e.g. the lattice constants of yttrium oxide and scandium oxide and their proportions in the rare earth sesquioxide crystal to be grown.
  • the starting material and accordingly also the rare earth sesquioxide crystal to be grown contain other substances, e.g. lutetium oxide and/or erbium oxide, their proportions in the starting material can also be adjusted accordingly in order to produce the rare earth sesquioxide crystal with a predetermined lattice constant.
  • the lattice constant of the rare earth sesquioxide crystal to be grown can also be predetermined and the proportions of the substances in the starting material adjusted accordingly in that the rare earth sesquioxide crystal should have a predetermined crystal field strength, which can also be set by adjusting the lattice constant.
  • the crystal field strength can be set in such a way and the proportions of the substances in the starting material adjusted accordingly that a laser crystal can emit light with a specific wavelength or in a specific wavelength range.
  • the mixed raw material may be charged into the crucible in bulk or pressed powder, granular or lump form and melted.
  • the rare earth sesquioxide crystal is grown by the zone melting method such as optical zone melting, the starting material in powder form should be pressed and sintered beforehand to bring it into a mechanically stable form.
  • the starting material may be pressed and/or sintered prior to filling the crucible to fill the crucible with comparatively fewer reflow operations .
  • the starting material preferably has a purity of at least 4N, i.e. it contains less than 0.01% of other substances. If the rare-earth sesquioxide crystal is not to be used as a laser crystal, the starting material may contain other substances mixed in by 0.01% or more.
  • the invention proposes a crystal growth system for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt, the rare earth sesquioxide crystal containing at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandium oxide , preferably at least 15% scandium oxide.
  • the crystal growing system according to the invention contains:
  • crucible made of a material with a melting temperature of below 3000 °C, preferably below 2800 °C, particularly preferably below 2500 °C, in particular between 2200 °C and 2500 °C,
  • a heating element which is arranged and designed to heat the crucible at least until the starting material is completely melted.
  • Complete melting can be achieved, for example, by heating up to the liquidus temperature.
  • the above-described method according to the invention for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt can be carried out with the crystal growing system according to the invention.
  • the starting material can additionally contain lutetium oxide and the rare earth sesquioxide crystal to be grown can additionally contain, for example, up to 45% lutetium oxide.
  • Lutetium oxide has a cubic crystal structure and is also suitable as a host material for a laser crystal, for example for a rare earth-doped solid-state laser.
  • the liquidus temperature of the rare earth sesquioxide crystal can be lowered to temperatures below 2200 °C, so that growth from iridium crucibles made possible by the Czochralski method.
  • the rare earth sesquioxide crystal to be grown can, for example, have proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide, so that their proportions add up to 100%, this including that the rare earth sesquioxide crystal can be doped with doping atoms.
  • the rare earth sesquioxide crystal to be grown and accordingly the starting material can also contain other substances, such as erbium oxide, in addition to yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • a rare earth sesquioxide crystal containing at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandia, preferably at least 15% scandia, and additionally up to 45% lutetium oxide has a liquidus temperature that is regular is below 2400°C and in particular below 2200°C.
  • a rare earth sesquioxide crystal of at least yttria, scandium oxide and lutetium oxide can be grown in a crucible made of a material with a melting temperature below 3000°C, preferably below 2800°C, especially be - preferably below 2500 °C, in particular between 2200 °C and 2500 °C.
  • the rare earth sesquioxide crystal composed of at least yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide has a liquidus temperature below 2200° C.
  • it can be grown from the melt in an iridium crucible, for example by the Czochralski method.
  • the rare earth crystal to be grown includes sesquioxide crystal
  • yttria between 5% and 95% yttria, preferably between 40% and 70% yttria
  • the starting material additionally having lutetium oxide if the proportion of lutetium oxide in the rare earth sesquioxide crystal is greater than 0%.
  • a rare earth sesquioxide crystal has a liquidus temperature below 2400°C, and in particular below 2200°C, and can be regularly grown in an iridium crucible.
  • the starting material may include at least ytterbium (Yb), thulium (Tm), holmium (Ho), erbium (Er) and/or neodymium (Nd), and the rare earth sesquioxide crystal to be grown may include Yb, Tm, Ho, Er and/or Nd be doped.
  • the starting material can have up to 6 at.% Yb or Tm, so that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has up to 2 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 Yb or Tm atoms.
  • the starting material can also contain up to 1 at.% Ho or Nd, so that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has up to 3 ⁇ 1 O 20 cm -3 Ho or Nd atoms.
  • the starting material can have up to 15 at.% Er, so that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has up to 5 ⁇ 10 21 cm -3 Er atoms.
  • the liquidus temperature of the rare earth sesquioxide crystal can be lowered further. It has been shown that this effect is particularly strong when the rare earth sesquioxide crystal is doped with erbium.
  • the proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in the starting material can be selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition in which (Y 0.7 Sc 0.3 ) 2 O 3 , ( Y 0.45 Sc 0.55 ) 2 O 3 and (Lu 0.25 Y 0.4 Sc 0.35 ) 2 O 3 area of the ternary phase diagram of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • Thermodynamic measurements have shown that in the compositions (Y 0.7 Sc 0.3 ) 2 O 3 , (Y 0.45 Sc 0.55 ) 2 O 3 and (Lu 0.25 Y 0 .4 Sc 0.35 ) 2 O 3 in the ternary phase diagram crystallization takes place in a cubic phase at a temperature below 2170 °C ⁇ 30 °C.
  • a binary or ternary rare earth sesquioxide crystal having a composition in this range in the ternary phase diagram can be grown with a crystal growing system using an iridium crucible. The proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide add up to 100% in such crystals, which includes that the rare earth sesquioxide crystal can be doped with doping atoms.
  • the proportions of yttrium oxide, scandium oxide and Lutetium oxide in the starting material can be selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition in which (Y 0.75 Sc 0.25 ) 2 O 3 , (Y 0, 3 Sc 0.7 ) 2 O 3 , (Lu 0.35 Y 0.25 Sc 0.4 ) 2 O 3 and (Lu 0.4 Y 0.4 Sc 0.2 ) 2 O 3 in the ternary phase diagram of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • the proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in the starting material can be selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition that is defined by (Y 0.85 Sc 0.15 ) 2 O 3 , (Y 0.15 Sc 0.85 ) 2 O 3 , (Lu 0.5 Y 0.1 Sc 0.4 ) 2 O 3 and (Lu 0.6 Y 0.25 Sc 0.15 ) 2 O 3 spanned area in the ternary phase diagram of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • the proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in the starting material can be selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition that is defined by (Y 0.95 Sc 0.05 ) 2 O 3 , (Y 0.05 Sc 0.95 ) 2 O 3 , (Lu 0.8 Sc 0.15 Y 0.05 ) 2 O 3 and (Lu 0.8 Y 0.15 Sc 0.05 ) 2 O 3 spanned area in the ternary phase diagram of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • the rare earth sesquioxide crystal may contain at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandia, preferably at least 15% scandia, and additionally up to 15% erbia.
  • a rare earth sesquioxide crystal can additionally contain up to 80% lutetium oxide, in particular up to 45% lutetium oxide.
  • the starting material then additionally has erbium oxide and optionally also lutetium oxide.
  • the resulting comparatively greater disorder in the crystal can lead to a comparatively greater broadening of the emission bandwidth of the crystal lead, which is advantageous for certain types of lasers.
  • thermodynamic measurements have shown that a rare earth sesquioxide crystal with the composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 has a liquidus temperature below 2050 °C, in particular 2010+/-30 °C, and has a cubic crystal structure. If the proportion of erbia in the rare earth sesquioxide crystal to be grown is more than 0%, the starting material also contains erbia in addition.
  • the proportions of yttrium oxide, scandium oxide and erbium oxide in the starting material are preferably selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition that is defined by (Y 0.7 Sc 0.3 ) 2 O 3 , (Y 0.45 Sc 0.55 ) 2 O 3 and (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 spanned ternary phase diagram of yttrium oxide, scandium oxide and erbium oxide.
  • a rare earth sesquioxide crystal has only yttrium oxide, scandium oxide and erbia oxide, so that their proportions in the rare earth sesquioxide crystal add up to 100%.
  • a rare earth sesquioxide crystal having a composition represented by (Y 0.7 Sc 0.3 ) 2 O 3 , (Y 0.45 Sc 0.55 ) 2 O 3 and (Er 0.07 Y 0, 43 Sc 0.5 ) 2 O 3 spanned ternary phase diagram has a liquidus temperature below 2200 °C and a cubic crystal structure.
  • Such a rare earth sesquioxide crystal can be grown in particular in an iridium crucible, for example using the Czochralski method.
  • a rare earth sesquioxide crystal can be grown from yttria, scandia and erbia with a crystal quality suitable for use as a laser crystal.
  • the proportions of yttrium oxide and scandium oxide in the starting material of the crystal growth system are selected such that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a liquidus temperature which is 2200° C. or less, in particular between 2000° C. and 2200° C or between 2100°C and 2200°C.
  • the rare earth sesquioxide crystal to be grown contains other substances, e.g. erbium oxide and/or lutetium oxide, their proportions in the starting material are also selected in such a way that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a liquidus temperature of 2200 °C or less, in particular between 2000°C and 2200°C or between 2100°C and 2200°C.
  • the invention also includes using a crucible in a crystal growth process, the crucible being made of a material which has a melting temperature of below 3000° C., preferably below 2800° C., particularly preferably below 2500° C., in particular between 2200 °C and 2500 °C, for growing a rare earth sesquioxide crystal having a cubic crystal structure and containing at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandia, preferably at least 15% scandia.
  • the crystal growth method can be, for example, the Czochralski method, the HEM method, or an alternative method in which to grow a rare earth sesquioxide crystal using a crucible.
  • the crucible is preferably made of iridium.
  • the rare earth sesquioxide crystal may contain only yttria and scandium oxide or additionally up to 15% erbia and/or up to 45% lutetium oxide.
  • other rare earths can also be contained in the rare earth sesquioxide crystal and correspondingly also in the starting material. In particular, such rare earth sesquioxide crystals can be doped.
  • the invention also includes a rare earth sesquioxide crystal having a cubic crystal structure containing at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandia, preferably at least 15% scandia, and having the invention described above Method or one of the methods of the other embodiments was produced in such a way that it is suitable as a laser crystal for a solid-state laser.
  • Such a rare earth sesquioxide crystal with the crystal quality required for a laser crystal can have been produced, for example, using the Czochralski method or the HEM method, with a crucible being used in these methods which consists of a material which has a melting temperature of below 3000°C, preferably below 2800°C, particularly preferably below 2500°C, in particular between 2200°C and 2500°C.
  • Appropriate doping can be used to change the wavelength or the wavelength range in which the rare earth sesquioxide crystal used as the laser crystal for a solid-state laser consists of at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15%. Scandium oxide, emits light, can be adjusted. Doping can be up to 15% of the rare earth sesquioxide crystal. In particular, doping includes those substances that are responsible for the laser-relevant optical properties of the material.
  • the rare earth sesquioxide crystal is doped with Yb, for example, it is suitable as or for a laser crystal for a laser which emits light at 1 pm-1.1 pm.
  • Tm When the rare earth sesquioxide crystal is doped with Tm, it is suitable as or for a laser crystal for a laser emitting light at 1.8 pm - 2 pm.
  • Ho it is suitable as or for a laser crystal for a laser which emits light at 1.9 pm - 2.1 pm.
  • the rare earth sesquioxide crystal is doped with Er, it is suitable as or for a laser crystal for a laser which emits light at 1.5 pm or 2.95 pm.
  • the rare earth sesquioxide crystal is doped with Nd, it is suitable as or for a laser crystal for a laser which emits light at wavelengths between 0.9 pm and 1.6 pm. It is also possible to use the rare earth sesquioxide crystal according to the invention with at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, as or for a scintillator.
  • the invention also includes a substrate formed from a rare earth sesquioxide crystal having a cubic crystal structure containing at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide. and which has been prepared according to the method of the invention described above.
  • the substrate By adjusting the proportions of the substances in the rare earth sesquioxide crystal and accordingly in the starting material, the substrate can have a lattice constant which corresponds to the lattice constant of a functional layer which is to be lattice-matchedly grown on the substrate. By adapting the proportions of the substances in the rare earth sesquioxide crystal, the substrate can also have such a lattice constant that a layer can be applied to the substrate by deliberately strained layer growth.
  • the invention also relates to a method for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure, which contains at least 5% yttria, preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, from a melt, wherein the Procedure includes the step:
  • the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a liquidus temperature that is 2400°C or less, preferably below 2200°C, more preferably below 2050°C, especially between 2000 °C and 2400 °C, for example between 2000 °C and 2200 °C,
  • This method represents a separate invention that can be implemented independently and independently of, but also in combination with, the aspects described above.
  • a crucible is not necessarily used in the method.
  • the starting material is melted at a temperature of 2400°C or less.
  • the starting material used in the process has a liquidus temperature of below 2400°C, preferably below 2200°C, particularly preferably below 2050°C, in particular between 2000°C and 2400°C.
  • the invention is based on the finding that a mixture of substances with at least yttrium oxide, preferably at least 5% yttrium oxide, particularly preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, behaves azeotropically, so that a Mixing them in certain ratios leads to a liduidus temperature which is below the melting points of the individual components.
  • the starting material for example at least yttrium oxide, preferably at least 5% yttrium oxide, particularly preferably at least 20% yttrium oxide and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, and optionally further sesquioxides, such as in particular lutetium oxide and / or erbium oxide, han - it is an azeotropic mixed series.
  • the melting temperature of the mixture of substances can be below that of the individual components.
  • the individual components scandium oxide and yttrium oxide have a melting point of over 2400° C., so that, in contrast to the invention, more complex growth structures are required to grow crystals from scandium oxide or yttrium oxide. Since the method for growing a rare-earth sesquioxide crystal having a cubic crystal structure requires a lower temperature of 2400°C or less for growth, a simpler and less expensive growth setup can be used, such as an iridium crucible in a crucible growth method, such as the Czochralski method, or a less expensive growth setup for optical zone melting. Furthermore, to generate a lower temperature for growth, less energy is also required, so the cost can be further reduced. Due to the lower melting point, temperature gradients within the melt and thus stresses in the grown rare earth sesquioxide crystal can also be reduced. This can improve the optical quality of the rare earth sesquioxide crystal thus grown by reducing stress-induced birefringence.
  • the rare earth sesquioxide crystal can also be grown using a crucible-free method, most preferably using optical zone melting.
  • Optical zone melting is particularly suitable for the production of electrically non-conductive materials that cannot be heated inductively.
  • one or more lamps can be used to heat the starting material in a respective zone.
  • the radiation from the lamp or lamps can be focused on the respective zone of the starting material and guided along the starting material.
  • the starting material can be guided through the focus in optical zone melting.
  • the starting material may have the same compositions of materials as described above with respect to the crucible crystal growth methods.
  • the starting material can, for example, additionally contain between 0% and 80% lutetium oxide and proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in the starting material can be chosen such that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition that in which by (Y 0.95 Sc 0.05 ) 2 O 3 , (Y 0.05 Sc 0.95 ) 2 O 3 , (Lu 0.8 Sc 0.2 ) 2 O 3 and (Lu 0.8 Y 0.15 Sc 0.05 ) 2 O 3 spanned region of the ternary phase diagram of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide, except for the point (Lu 0.8 Sc 0.2 ) 2 O 3 .
  • the starting material can additionally contain between 0% and 25% lutetium oxide and proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in the starting material can be selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition in which ( Y 0.7 Sc 0.3 ) 2 O 3 , (Y 0.45 Sc 0.55 ) 2 O 3 and (Lu 0.25 Y 0.4 Sc 0.35 ) 2 O 3 spanned region of the ternary phase dia- grams of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • the starting material can contain up to 15% erbium oxide and the proportions of yttrium oxide, scandium oxide and erbium oxide in the starting material can be selected in such a way that the material composition of the rare earth sesquioxide crystal to be grown corresponds to a composition that is defined by (Y 0 .7 Sc 0.3 ) 2 O 3 , (Y 0.45 Sc 0.55 ) 2 O 3 and (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 spanned area of the ternary phase diagram of yttri- oxide, scandium oxide and erbium oxide.
  • .1 a schematically illustrated flow chart of a method for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt
  • 2 a diagrammatically illustrated crystal growing system for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt
  • Fig. 3 a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure having the composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 which was grown by the Czochralski method,
  • Fig. 4 a ternary phase diagram spanned by yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide,
  • Fig. 5 a large number of measurements to determine the solidus and liquidus temperatures of a rare earth sesquioxide crystal containing yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in different proportions,
  • Fig. 6 Differential thermal analysis studies of the solidus and liquidus points of a rare earth sesquioxide crystal having the same composition as the rare earth sesquioxide crystal shown in Fig. 3, and
  • Fig. 7 A rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure having the composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 grown by optical zone melting.
  • FIG. 1 shows a diagrammatic flow chart of a method for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure from a melt.
  • the method serves to grow a rare earth sesquioxide crystal containing at least yttria, preferably at least 5% yttria, more preferably at least 20% yttria, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide.
  • the method can be carried out as part of an already known crystal growth method, for example as a modification of the Czochralski method and the optical zone melting method.
  • a starting material is first provided (step S1).
  • the starting material comprises 10% lutetium oxide, 50% yttrium oxide and 40% scandium oxide.
  • the starting material can additionally or alternatively also include other substances, but at least yttrium oxide, preferably at least 5% yttrium oxide, particularly preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide.
  • the starting material can include only yttria and scandium oxide.
  • the starting material can also include erbium oxide and/or lutetium oxide, for example.
  • the starting material can, for example, also have rare earth doping atoms, for example Yb, Tm, Ho, Er and/or Nd.
  • the proportions of yttrium oxide and scandium oxide and—if present—the other substances such as lutetium oxide and/or erbium oxide can be adjusted in the starting material in such a way that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a predetermined lattice constant.
  • the lattice constant of the rare earth sesquioxide crystal to be grown can be specified, for example, by the lattice constant of the material of that layer which is to be applied lattice-matched or with a defined offset to a substrate made from the rare earth sesquioxide crystal.
  • the starting material is in powder form and is placed in a crucible made of iridium (step S2).
  • the starting material is placed in another crucible which consists of a material which has a melting point of below 3000° C., preferably below 2800° C., particularly preferably below 2500° C., in particular between 2200° C. and 2500°C.
  • the starting material is melted in the crucible (step 3).
  • a seed crystal is contacted with the melt, and a rare earth sesquioxide crystal is grown from the melt by the Czochralski method (step S4).
  • the starting material is melted in the crucible and the rare earth sesquioxide crystal is then grown by a crystal growth method other than the Czochralski method, such as the Bridgman method.
  • FIG. 2 shows a diagrammatically illustrated crystal growth system 200 for growing a rare earth sesquioxide crystal with a cubic crystal structure, which contains at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide. from a melt.
  • the crystal growing system 200 is shown in a side view looking at a longitudinal section through the crystal growing system 200 .
  • the method described above with reference to FIG. 1 can be carried out with the crystal growing system 200 .
  • the crystal growing system 200 includes a crucible 202 made of iridium.
  • the crucible has a cylindrical shape.
  • the crystal growing system 200 comprises another crucible made of a material with a melting temperature below 3000°C, preferably below 2800°C, more preferably below 2500°C, especially between 2200°C and 2500°C , consists.
  • the crucible 202 can also have a different shape and, for example, taper conically starting from the opening.
  • the crystal growing system 200 further includes a starting material 204 comprising yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • the starting material 204 in this exemplary embodiment has 10% lutetium oxide, 50% yttrium oxide and 40% scandium oxide.
  • the starting material comprises at least 5% yttrium oxide, preferably at least 20% yttrium oxide, and at least 5% scandium oxide, preferably at least 15% scandium oxide, and can additionally contain other substances, for example up to 80% lutetium oxide, preferably up to 45% lutetium oxide and/or up to 15% erbium oxide.
  • the starting material 204 can also only comprise yttria and scandia.
  • the starting material 204 has rare earth dopant atoms, so the rare earth sesquioxide crystal grown from the starting material 204 is doped.
  • the crucible 202 is surrounded by insulation 206 which is designed and arranged to ensure a defined temperature gradient within the melt. It is also possible that the crucible 202 is not surrounded by insulation but is in direct contact with a heating element.
  • a heating element 208 is disposed around the insulation 206.
  • the heating element 208 is in the form of an induction heating element and comprises an induction heating coil which is wound around the crucible 202 in a helix.
  • the crucible 202 with the starting material 204 can be inductively heated by means of radio frequency radiation until the starting material 204 has completely melted, for example up to the liquidus temperature of the starting material 204, in order to produce a starting material 204 from a typically powdery starting material to produce melt from which the rare earth sesquioxide crystal can be grown.
  • the crystal growing system 200 If the crystal growing system 200 is to be used to grow a rare earth sesquioxide crystal according to the Czochralski method, it additionally comprises a seed crystal 212 attached to a holder 210 and a device 214 to pull the seed crystal 212 on the holder 210 under control from the melt while rotating.
  • FIG. 3 shows a rare earth sesquioxide crystal 300 having a cubic crystal structure with the composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 .
  • the rare earth sesquioxide crystal 300 was grown in an iridium crucible by the Czochralski method.
  • the rare earth sesquioxide crystal 300 has a cubic crystal structure and a liquidus temperature of less than 2050°C.
  • as a raw material for the rare earth sesquioxide crystal 300 erbia, yttria and scandia in powder form having a purity of 4N were used.
  • the crystal quality of the rare earth sesquioxide crystal 300 is sufficient to use it as a laser crystal.
  • a substrate can also be produced from the rare earth sesquioxide crystal 300, on which further layers can be grown in layer growth in order to subsequently produce an optical or electro-optical component therefrom.
  • FIG. 4 shows a ternary phase diagram 400 spanned by yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide.
  • the rare earth-sesquioxide crystals with compositions shown in the ternary phase diagram 400 have liquidus temperatures between 2090.degree. C. and 2490.degree.
  • the temperature values marked with an asterisk symbol 402 correspond to the liquidus temperatures of the respective rare earth sesquioxide crystals that were the subject of the measurements described in relation to FIG.
  • the temperature values marked with a rectangle symbol 404 for rare earth sesquioxide crystals with different proportions of scandium oxide and lutetium oxide come from Badie, JM, "Etude de la structure des phases ä delicious temperature presentees pas les systeme Sc 2 O 3 - La 2 O 3 et Sc 2 O 3 -Nd 2 O 3 ", from High Temp. - High Press., 1970. 2: pages 309-316 and Peters, R., K. Petermann, and G.
  • a circle symbol 406 indicates further temperature values obtained in thermodynamic investigations in the ternary phase diagram.
  • the phase diagram 400 was created by interpolating between the measurement points shown as a circle symbol 406 .
  • the crystallization of the respective rare earth sesquioxide crystals takes place in a cubic phase with liquidus temperatures below 2170 ° C ⁇ 30 ° C instead.
  • FIG. 6 By adding other rare earth atoms, as shown in FIG. 6 as an example for a composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 , it is possible to lower the liquidus temperature even further.
  • FIG. 5 shows a large number of measurements 500 for determining the solidus and liquidus temperatures of a rare earth sesquioxide crystal which contains yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide in different proportions.
  • the differential thermal analysis (DTA) signal is given in pV/mg of a rare earth sesquioxide crystal with different proportions of yttrium oxide, scandium oxide and lutetium oxide over the temperature between 1950° C. and 2250° C.
  • the proportion of lutetium oxide for the measurements was successively increased from 0% to 43% and at the same time the proportion of scandium oxide was reduced from 60% to 34% and the proportion of yttrium oxide from 40% to 23%, with the sum of the proportions of yttrium oxide , scandium oxide and lutetium oxide each add up to 100% for each of the rare earth sesquioxide crystals.
  • each of the measurement curves 500.1 to 500.11 has a first marking 502, which indicates the solidus point, and at a second temperature, which is higher than the first temperature, a second marking 504, which indicates the liquidus point. on.
  • the measurements 500 show that the material system examined has liquidus temperatures below 2170° C. (indicated by the dashed line 506) over a wide composition range.
  • FIG. 6 shows three differential thermal analysis (DTA) investigations 600 of the liquidus temperature of a rare earth sesquioxide with the composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 carried out in chronological order.
  • This composition corresponds to the composition of the rare earth sesquioxide crystal shown in FIG.
  • DTA differential thermal analysis
  • the starting material of the rare earth sesquioxide crystal which was in powder form, was first melted.
  • the powder has a comparatively poorer thermal contact with the crucible, which is why the first measurement may be comparatively inaccurate.
  • the powder that has not yet melted may be inhomogeneous and not in thermodynamic equilibrium, which can lead to misinterpretations.
  • the sample is in thermodynamic equilibrium, is homogeneous and the thermal contact is significantly improved. Therefore, the DTA examination was repeated twice.
  • the first repetition led to measurement curve 600.2 and the second repetition to measurement curve 600.3.
  • the similarity of the three measurement curves 600.1, 600.2, 600.3 proves the accuracy and reproducibility of the DTA tests carried out.
  • phase transition (here melting) energy is required or released, which can be recognized by deflections in the DTA signal curve. These peaks can be used, for example, to identify the solidus point and the liquidus point of a rare earth sesquioxide crystal.
  • Shown in Figure 7 is a cubic crystal structure rare earth sesquioxide crystal 700 of composition (Er 0.07 Y 0.43 Sc 0.5 ) 2 O 3 grown by optical zone melting.
  • the invention relates to growing a rare earth sesquioxide crystal having a cubic crystal structure from a melt.
  • the rare earth sesquioxide crystal contains at least 5% yttria and at least 5% scandia such that its liquidus temperature is below 2400°C.
  • the rare earth sesquioxide crystal may also contain yttria and at least 5% scandia, and the proportions of yttria and scandia may be selected in a starting material such that the rare earth sesquioxide crystal to be grown has a liquidus temperature below 2400°C.
  • the starting material can be melted at a temperature of 2400°C or lower in a crucible made of a material having a melting temperature lower than 3000°C.
  • the rare earth sesquioxide crystal can be grown from the molten starting material using a crystal growing method such as the Czochralski method or the HEM method. It is also possible to grow the rare earth sesquioxide crystal without a crucible at a temperature of 2400° C. or less, for example by means of optical zone melting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall enthält wenigstens 5 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, so dass seine Liquidustemperatur unter 2400 °C beträgt. Alternativ kann der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall auch Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid enthalten und die Anteile von Yttriumoxid und Scandi- umoxid können in einem Ausgangsmaterial so ausgewählt sein, dass der zu züchtende Selternerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur von unter 2400 °C hat. Das Ausgangsmaterial kann in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C hat, bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger geschmolzen werden. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial unter Verwenden eines Kristallzüchtungsverfahrens, beispielsweise des Czochralski-Verfahrens oder des HEM-Verfahrens gezüchtet werden. Auch ein tiegelfreies Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls ist bei einer Temperatur von 2400 °C oder we- niger möglich, beispielsweise mittels optischem Zonenschmelzen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Ferner betrifft die Erfindung ein Kristallzüch- tungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruk- tur. Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle haben ein Verhältnis von einem Metall der Seltenen Erden (kurz: Seltene Erden) zu Sauerstoff von 1 zu 1 ,5. Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle sind bei- spielweise Scandiumoxid (Sc2O3), Lutetiumoxid (Lu2O3), Yttriumoxid (Y2O3) und Neody- moxid (Nd2O3).
In DE 197 02465 A1 ist beschrieben, dass sich ein Tiegel aus Rhenium zum Züchten unter anderem von Einkristallen aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid aber auch aus Scandiumy- ttriumoxid und Lutetiumyttriumoxid aus der Schmelze nach dem Czochralski-Verfahren eig- net.
Bei dem Czochralski-Verfahren wird ein Einkristall aus einer Schmelze gezüchtet, indem zunächst ein Ausgangsmaterial in einem beheizten Tiegel geschmolzen wird. Anschlie- ßend wird ein an einem Halter befestigter Impfkristall mit der Schmelze in Berührung ge- bracht. Ohne den Kontakt zur Schmelze zu verlieren, wird der Impfkristall unter Drehen langsam in diejenige Richtung gezogen, die senkrecht von der Oberfläche der Schmelze weg zeigt. Durch eine geringe Unterkühlung an der fest-flüssig Phasengrenze erstarrt die Schmelze an dem Impfkristall und durch eine geeignete Prozesssteuerung wächst der Ein- kristall kontrolliert weiter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur bereitzustellen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Kristallzüchtungssystem zum Züch- ten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur bereitzustellen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Züchten eines Sel- tenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze vorgeschla- gen, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigs- tens 15 % Scandiumoxid, enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt:
- Schmelzen eines Ausgangsmaterials, das wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid auf- weist, in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, ins- besondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet eine Schmelztemperatur diejenige Tempera- tur, bei der ein Stoff oder Stoffgemisch zu schmelzen beginnt, das heißt, bei der dieser beginnt von seinem festen in seinen flüssigen Aggregatzustand überzugehen.
Die Schmelztemperatur eines Reinstoffes bei einem definierten Druck wird als Schmelz- punkt bezeichnet. In der Regel wird der Schmelzpunkt bei Normaldruck angegeben.
Bei einem Stoffgemisch wird die Schmelztemperatur auch als Solidustemperatur bezeich- net. Die Solidustemperatur ist diejenige Temperatur, bei der das Stoffgemisch zu schmel- zen beginnt. Zusätzlich wird für ein Stoffgemisch die Liquidustemperatur angegeben. Die Liquidustemperatur gibt an, bei welcher Temperatur das Stoffgemisch vollständig schmilzt.
Der Soliduspunkt bzw. Liquiduspunkt eines Stoffgemisches bezeichnet die Solidustempe- ratur bzw. die Liquidustemperatur eines Stoffgemisches bei einem definierten Druck.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle aus Scandi- umoxid oder Yttriumoxid aufgrund ihrer Schmelzpunkte von jeweils über 2400 °C nicht nach gängigen Kristallzüchtungsverfahren, insbesondere nicht nach dem Czochralski-Ver- fahren, aus Iridium-Tiegeln, gezüchtet werden können. Der Schmelzpunkt von Iridium liegt bei 2466 °C. Wenn die Schmelze eine Temperatur von über 2200 °C hat, kommt es durch ein zunehmendes Kornwachstum im Iridium-Tiegel und damit einhergehenden Spannun- gen zur Rissbildung im Tiegel und damit zur Leckage des Tiegels.
In dem Czochralski-Verfahren ist regelmäßig die gezielte Wärmeabfuhr durch den wach- senden Kristall zur Beibehaltung notwendiger Temperaturgradienten wichtig, damit der zu züchtende Kristall eine niedrigere Temperatur als die Schmelze hat und das Material an dem Impfkristall kristallisiert. Insbesondere wird ein Temperaturgradient von der Schmelze durch den Kristall zur Ziehstange hin benötigt. Gezielte Temperaturgradienten vermeiden zudem die Ausbildung von Spannungen durch zu starke Temperaturunterschiede im wach- senden Kristall.
Aufgrund der vergleichsweise hohen Schmelzpunkte der Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle Scandiumoxid oder Yttriumoxid treten beim Wachstum dieser Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talle jedoch zwei Effekte auf, die eine gezielte Wärmeabfuhr erschweren. Zum einen ver- schiebt sich der Schwerpunkt der thermischen Strahlung mit steigender Temperatur in den kurzwelligeren, hochenergetischeren Bereich. Zum anderen verringert sich mit steigender Temperatur der Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle deren Bandlücke. Diese Effekte können dazu beitragen, dass es in Seltenerd-Sesquioxid-Kristallen bei Temperaturen im Bereich von über 2400 °C zu einer signifikanten Herabsetzung der Transparenz für die Wärme- strahlung kommt. Eine Herabsetzung der T ransparenz für die Wärmestrahlung führt regel- mäßig dazu, dass sich die Wärme unter dem wachsenden Kristall staut, so dass die Tem- peratur am Übergang zwischen flüssiger und fester Phase über den Schmelzpunkt des Materials steigt, was zu einem „Abreissen“ des Kristalls von der Schmelze und zu einem Stoppen des Kristallwachstums führen kann. Diese Effekte stellen - unabhängig vom Tie- gelmaterial - regelmäßig ein Problem für die Züchtung von Sesquioxiden mit hohen Liqui- dustemperaturen nach der Czochralski-Methode dar.
Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid wurden deshalb bislang in der Regel nach dem HEM (heat exchanger method)-\/erfahren unter Verwendung von Rhenium-Tiegeln und nicht nach dem Czochralski-Verfahren unter Verwendung von ande- ren Tiegeln mit geringeren Schmelztemperaturen, beispielsweise Iridium-Tiegeln, herge- stellt. Da die Verarbeitung von Rhenium zu Tiegeln aufgrund seiner Härte und seines sehr hohen Schmelzpunktes aufwendig und damit teuer ist, wurden Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid bislang lediglich in geringem Umfang kommerziell genutzt, obwohl sie sich gut für die Herstellung von Lasermaterialien, insbesondere für seltenerd-dotierte Festkörperlaser, eignen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere binäre oder auch ternäre Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle gezüchtet werden, die wenigstens 5 % Yttriumoxid, vor- zugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugs- weise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthalten. Beispielweise kann ein nach dem Ver- fahren gezüchteter Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nur Scandiumoxid und Yttriumoxid ent- halten, so dass sich die Anteile von Scandiumoxid und Yttriumoxid zu 100 % addieren, wobei dies umfasst, dass der binäre Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Dotieratomen dotiert sein kann. Dementsprechend schließt ein summierter Anteil von 100 % nicht das Enthalten von Dotieratomen, insbesondere mit einem Anteil von einigen Prozent, beispielsweise bis zu 15 %, aus. Ein Stoff gilt insbesondere dann als Dotierung, wenn die Dotier-Atome im Wesentlichen für die laserrelevanten optischen Eigenschaften des Materials verantwortlich sind.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kein Rhenium-Tiegel verwendet wird, sondern ein Tiegel aus einem Material, welches eine Schmelztemperatur hat, die geringer ist als die Schmelztemperatur von Rhenium. In dem Verfahren können insbesondere Tiegel verwendet werden, die im Vergleich zu Rhenium- Tiegeln günstigere Eigenschaften haben, beispielsweise solche aus Iridium.
Da in dem Verfahren kein Tiegel ausschließlich aus Rhenium verwendet wird, können die Herstellungskosten für die Züchtung eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls deutlich gesenkt werden. Dies ermöglicht es solche Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle für eine kommerzielle Nutzung interessanter zu machen. Da der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall we- nigstens 15 % Scandiumoxid enthält, kann die hexagonale Phase von Yttriumoxid umgan- gen werden, sodass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine kubische Kristall- struktur hat. Dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine kubische Kristallstruktur hat, ist für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen von Vorteil. Solche Anwendungen um- fassen die Verwendung des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur als Wirtsmaterial für einen Laserkristall, aber auch die Verwendung als Substrat für funkti- onale kristalline Schichten, die gitterangepasst oder gezielt verspannt auf einem einkristal- linen Substrat aufgebracht werden sollen.
Die Erfindung beruht auch auf der Erkenntnis, dass ein Ausgangsmaterial aus einem Stoff- gemisch, das wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, eine Liquidustemperatur haben kann, die unter derjenigen der Einzelkomponenten Scandiumoxid und Yttriumoxid liegt. Dies ermöglicht es einen Tiegel aus einem Material mit einer deutlich niedrigeren Schmelztemperatur als der Schmelztemperatur von Rhenium zum Züchten des Seltenerd- Sesquioxid-Kristalls zu verwenden. Die Liquidustemperatur des Ausgangsmaterials, das wenigstens Scandiumoxid und Yttri- umoxid aufweist, kann deshalb unter den Schmelzpunkt der Einzelkomponenten Scandi- umoxid und Yttriumoxid gesenkt werden, weil sich dieses Stoffgemisch azeotrop verhält. Bei dem Ausgangsmaterial, zum Beispiel aus wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigs- tens 15 % Scandiumoxid, sowie optional weiteren Sesquioxiden, wie insbesondere Luteti- umoxid und/oder Erbiumoxid, handelt es sich um eine azeotrope Mischreihe. Insbesondere an und um einen azeotropen Punkt in einer azeotropen Mischreihe der Sesquioxide kann die Schmelztemperatur des Stoffgemisches unter diejenige der Einzelkomponenten ge- senkt werden. Da es möglich ist, die Liquidustemperatur des Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talls mit wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und we- nigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, unter 2400 °C und insbesondere unter 2200 °C zu senken, kann in dem Verfahren ein Tiegel aus Iridium verwendet werden. Falls der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustem- peratur von über 2200 °C hat, besteht aufgrund von Rissbildung infolge von Kornwachstum die Gefahr der Zerstörung des Iridium Tiegels. Zudem besteht bei höheren Temperaturen infolge von zu starken Temperaturgradienten das Risiko einer lokalen Überhitzung des Tiegels und damit des Schmelzens des Tiegels. Falls die Liquidustemperatur des zu züch- tenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls über 2200 °C liegt, sollte in dem Verfahren deshalb ein Tiegel aus einem anderen Material als ausschließlich Iridium verwendet werden. Ein solches Material hat vorzugsweise eine Schmelztemperatur zwischen der von Iridium und Rhenium. Denkbar ist beispielweise ein Tiegel aus einer Legierung, beispielweise einer Legierung aus Iridium und Rhenium.
Vorzugsweise weist das Verfahren den Schritt auf:
- Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial.
Der Kristall wird in dem Verfahren durch Züchtung aus der Schmelze hergestellt. Beispiels- weise kann der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren an einem Impfkristall gezüchtet werden.
Bevorzugt wird der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall unter Verwenden des Czochralski-Ver- fahrens oder des HEM-Verfahrens gezüchtet. Nach dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren hergestellte Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle können mit hoher Kristallquali- tät hergestellt werden, sodass sie sich für Laserkristalle eignen.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren eine Modifikation eines bereits be- kannten Kristallzüchtungszüchtungsverfahrens darstellen, beispielweise dem Czochralski- Verfahren oder dem HEM-Verfahren. Nach dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM- Verfahren kann ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugs- weise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, gezüchtet werden, wobei in dem Czochralski-Verfahren oder dem HEM-Verfahren ein Tiegel verwendet wird, der aus einem Material besteht, wel- ches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch Bestandteil eines modifizierten Skull-Melting- Verfahrens sein, bei dem das Ausgangsmaterial im Eigentiegel geschmolzen wird. Dabei liegt das Ausgangsmaterial in Pulverform vor. In dem Skull-Melting-\/erfahren wird gezielt nur der zentrale Bereich des Pulvers geschmolzen und das umliegende Material dient als Tiegel.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch als Bestandteil eines modifizierten „Bagdasa- rov“-Verfahrens durchgeführt werden, bei dem das Pulver in einem schiffchenförmigen Tie- gel durch die heiße Zone geschoben wird. Das „Bagdasarov“-Verfahren ist beispielsweise in US 4,303,465 beschrieben.
Weitere bekannte Kristallzüchtungsverfahren, die zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid- Kristalls unter Verwenden des entsprechenden Ausgangsmaterials und Tiegels verwendet werden können, sind beispielsweise das HEM-Verfahren und das Bridgman-Verfahren. Das HEM-Verfahren ist beispielsweise in US 3,898,051 beschrieben.
Das Ausgangsmaterial weist insbesondere die Stoffe des zu züchtenden Seltenerd- Sesquioxid-Kristalls und vorzugsweise mit denselben Anteilen auf, wie sie in dem gezüch- teten Seltenerd-Sesquioxid-Kristall vorhanden sind. Das heißt, wenn der Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristall 60 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid enthält, weist auch das Ausgangs- material 60 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid auf. Vorzugsweise weist das Ausgangs- material wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und we- nigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, auf.
Das Ausgangsmaterial liegt vorzugsweise in Pulverform vor. Das Ausgangsmaterial in Pul- verform besteht bevorzugt aus Pulvern der Form RE2O3, wobei RE für das Seltene Erden Element (engl. rare earth) steht und beispielsweise RE = Lutetium (Lu), Scandium (Sc), Yttrium (Y), Erbium (Er) oder Ytterbium (Yb) sein kann. Diese Pulver stehen in der Regel in elementreiner Form zur Verfügung und werden vor der Züchtung in den Atom Verhältnis- sen entsprechenden Gewichtsanteilen zusammengemischt. Alternativ kann das Ausgangsmaterial als Granulat oder in stückiger Form mit einem ma- ximalen Durchmesser von bis zu 1 ,5 cm vorliegen.
Das Verfahren kann den weiteren Schritt umfassen:
- Anpassen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer vorgegebenen Gitterkonstanten herzustellen.
Insbesondere, wenn der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall als Substrat für eine funktionale Schicht verwendet werden soll, die gitterangepasst oder gezielt verspannt auf das Substrat aufgebracht werden soll, beispielsweise auf dem Substrat aufgewachsen wer- den soll, können die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial an- gepasst werden, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer solchen Gitterkonstanten herzustellen, die der Gitterkonstante des Materials der funktionalen Schicht entspricht oder eine bestimmte Differenz zu dieser hat. Die Gitterkonstante des Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talls wird in diesen Fällen durch die Gitterkonstante der funktionalen Schicht vorgegeben und die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsmaterial entsprechend ge- wählt. Die Gitterkonstante des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kann beispiel- weise mittels der Vergardschen Regel berechnet werden, die die Gitterkonstanten der Ein- zelbestandteile, z.B. die Gitterkonstanten von Yttriumoxid und Scandiumoxid und deren Anteile im zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristall berücksichtigt.
Falls das Ausgangsmaterial und entsprechend auch der zu züchtende Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristall weitere Stoffe enthält, z.B. Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid, können auch deren Anteile im Ausgangsmaterial entsprechend angepasst werden, um den Seltenerd- Sesquioxid-Kristall mit einer vorgegebenen Gitterkonstanten herzustellen.
Die Gitterkonstante des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kann auch dadurch vorgegeben und die Anteile der Stoffe im Ausgangsmaterial entsprechend angepasst wer- den, dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine vorgegebene Kristallfeldstärke aufweisen soll, die durch Einstellen der Gitterkonstante ebenfalls eingestellt werden kann. Beispiel- weise können die Kristallfeldstärke so eingestellt und die Anteile der Stoffe im Ausgangs- material entsprechend angepasst werden, dass ein Laserkristall Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich emittieren kann.
Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wird, kann das vermischte Ausgangsmaterial als loses oder gepresstes Pulver, als Granulat oder in stückiger Form in den Tiegel gegeben und geschmolzen werden. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Zonenschmelzverfahren, beispiels- weise dem optischen Zonenschmelzen, gezüchtet wird, sollte das Ausgangsmaterial in Pulverform vorher gepresst und gesintert werden, um es in eine mechanisch stabile Form zu bringen.
Auch wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren oder ande- ren Kristallzüchtungsverfahren mit Tiegel gezüchtet wird, kann das Ausgangsmaterial vor dem Befüllen des Tiegels gepresst und/oder gesintert werden, um den Tiegel mit ver- gleichsweise weniger Aufschmelzvorgängen befüllen zu können.
Das Ausgangsmaterial hat bevorzugt eine Reinheit von mindestens 4N, d.h. es weist eine Beimischung anderer Stoffe von weniger als 0,01 % auf. Falls der Seltenerd-Sesquioxid- Kristall nicht als Laserkristall genutzt werden soll, kann das Ausgangsmaterial auch eine Beimischung anderer Stoffe von 0,01 % oder mehr aufweisen.
Hinsichtlich des Kristallzüchtungssystems wird erfindungsgemäß ein Kristallzüchtungssys- tem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze vorgeschlagen, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandi- umoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält.
Das erfindungsgemäße Kristallzüchtungssystem enthält:
- einen Tiegel, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht,
- ein Ausgangsmaterial, welches wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, und
- ein Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, den Tiegel wenigstens bis zum vollständigen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials aufzuheizen.
Ein vollständiges Aufschmelzen kann beispielsweise durch Aufheizen bis zur Liquidustem- peratur erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Kristallzüchtungssystem kann insbesondere das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid- Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze durchgeführt werden. Das Ausgangsmaterial kann zusätzlich Lutetiumoxid aufweisen und der zu züchtende Sel- tenerd-Sesquioxid-Kristall zusätzlich beispielsweise bis zu 45 % Lutetiumoxid enthalten. Lutetiumoxid hat eine kubische Kristallstruktur und eignet sich ebenfalls als Wirtsmaterial für einen Laserkristall, beispielweise für einen seltenerd-dotierten Festkörperlaser. Durch die Verwendung von Mischsystemen aus dem ternären System Y2O3 - Sc2O3 - Lu2O3 kann die Liquidustemperatur des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls auf Temperaturen von unter 2200 °C abgesenkt werden, so dass die Züchtung aus Iridium-Tiegeln nach dem Czochralski-Verfahren ermöglicht wird.
Der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann beispielsweise Anteile von Yttri- umoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufweisen, sodass sich deren Anteile zu 100 % addieren, wobei dies umfasst, dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Dotieratomen do- tiert sein kann. Alternativ können der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall und ent- sprechend auch das Ausgangsmaterial neben Yttriumoxid, Scandiumoxid und Luteti- umoxid auch weitere Stoffe, wie z.B. Erbiumoxid, enthalten. Ein Seltenerd-Sesquioxid-Kris- tall, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und we- nigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, und zusätzlich bis zu 45 % Lutetiumoxid enthält, hat eine Liquidustemperatur, die regelmäßig unter 2400 °C und insbesondere unter 2200 °C beträgt. Ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall aus wenigs- tens Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid kann aufgrund der vergleichsweise nied- rigen Liquidustemperatur in einem Tiegel gezüchtet werden, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders be- vorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht. Insbeson- dere wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall aus wenigstens Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid eine Liquidustemperatur unter 2200 °C hat, kann dieser aus der Schmelze in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet werden, beispielweise nach dem Czochralski-Verfahren.
In manchen Ausführungsbeispielen enthält der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall
- zwischen 5 % und 95 % Yttriumoxid, vorzugsweise zwischen 40 % und 70 % Yttriumoxid,
- zwischen 5 % und 95 % Scandiumoxid, vorzugsweise zwischen 30 % und 55 % Scandi- umoxid, und
- zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise zwischen 0 % und 25 % Luteti- umoxid, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Lutetiumoxid aufweist, wenn der Anteil von Lutetiumoxid im Seltenerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist. Ein solcher Selten- erd-Sesquioxid-Kristall hat eine Liquidustemperatur unter 2400 °C, und insbesondere unter 2200 °C und kann regelmäßig in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet werden.
Das Ausgangsmaterial kann wenigstens Ytterbium (Yb), Thulium (Tm), Holmium (Ho), Er- bium (Er) und/oder Neodym (Nd) aufweisen und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid- Kristall kann mit Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd dotiert sein. Beispielsweise kann das Aus- gangsmaterial bis zu 6 at. % Yb oder Tm aufweisen, so dass der zu züchtende Seltenerd- Sesquioxid-Kristall bis zu 2 x 1021 cm-3 Yb oder Tm Atome aufweist. Das Ausgangsmaterial kann auch bis zu 1 at. % Ho oder Nd aufweisen, so dass der zu züchtende Seltenerd- Sesquioxid-Kristall bis zu 3 x 1 O20 cm-3 Ho oder Nd Atome aufweist. Alternativ kann das Ausgangsmaterial bis zu 15 at. % Er aufweisen, so dass der zu züchtende Seltenerd- Sesquioxid-Kristall bis zu 5 x 1021 cm-3 Er Atome aufweist.
Je nach Beimischung von Seltenerd-Dotieratomen kann die Liquidustemperatur des Selte- nerd-Sesquioxid-Kristalls weiter gesenkt werden. Es hat sich gezeigt, dass dieser Effekt besonders stark auftritt, wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Erbium dotiert ist.
Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd- Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3 , (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25Y0,4Sc0,35)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendia- gramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
Anhand von thermodynamischen Messungen hat sich zeigen lassen, dass in dem von den Zusammensetzungen (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25Y0,4Sc0,35)2O3 aufgespann- ten Bereich im ternären Phasendiagramm die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Temperatur unter 2170 °C ± 30 °C stattfindet. Ein binärer oder ternärer Seltenerd- Sesquioxid-Kristall mit einer Zusammensetzung aus diesem Bereich im ternären Phasen- diagramm kann mit einem Kristallzüchtungssystem mit einem Iridium-Tiegel gezüchtet wer- den. Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid addieren sich in solchen Kristallen zu 100 %, wobei dies umfasst, dass der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Dotier- atomen dotiert sein kann.
Weiter hat sich gezeigt, dass in einem von den Zusammensetzungen (Y0,75Sc0,25)2O3, (Y0,3Sc0,7)2O3, (Lu0,35Y0,25Sc0,4)2O3 und (Lu0,4Y0,4Sc0,2)2O3 aufgespannten Bereich im ternä- ren Phasendiagramm die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Liquidustempe- ratur unterhalb von 2200 °C stattfindet. Die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt werden, dass die Materialkom- position des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung ent- spricht, die in dem durch (Y0,75Sc0,25)2O3 , (Y0,3Sc0,7)2O3, (Lu0,35Y0,25Sc0,4)2O3 und (Lu0,4Y0,4Sc0,2)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
In einem von den Zusammensetzungen (Y0,85Sc0,15)2O3 , (Y0,15Sc0,85)2O3, (Lu0,5Y0,1Sc0,4)2O3 und (Lu0,6 Y0,25Sc0,15)2O3 aufgespannten Bereich findet die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Liquidustemperatur unterhalb von 2300 °C statt. Die Anteile von Yttri- umoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt wer- den, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,85Sc0,15)2O3, (Y0,15Sc0,85)2O3, (Lu0,5Y0,1Sc0,4)2O3 und (Lu0,6 Y0,25Sc0,15)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasendia- gramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
In einem von den Zusammensetzungen (Y0,95Sc0,05)2O3 , (Y0,05Sc0,95)2O3, (Y0,8Sc0,2)2O3 und (Lu0,8 Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich findet die Kristallisation in einer kubischen Phase bei einer Liquidustemperatur unterhalb von 2400 °C statt. Die Anteile von Yttri- umoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial können so gewählt wer- den, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,95Sc0,05)2O3 , (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0,8Sc0,15Y0,05)2O3 und (Lu0,8 Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich im ternären Phasen- diagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigs- tens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, und zusätzlich bis zu 15 % Erbiumoxid enthalten. Optional kann ein sol- cher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zusätzlich bis zu 80 % Lutetiumoxid, insbesondere bis zu 45 % Lutetiumoxid, enthalten. Das Ausgangsmaterial weist dann zusätzlich Erbiumoxid auf und optional auch Lutetiumoxid. Bei einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall der aus drei oder mehr unterschiedlichen Stoffen besteht, beispielweise aus den vier Stoffen Yttri- umoxid, Scandiumoxid, Erbiumoxid und Lutetiumoxid, kann die resultierende vergleichs- weise größere Unordnung im Kristall zu einer vergleichsweise größeren Verbreiterung der Emissionsbandbreite des Kristalls führen, was für bestimmte Lasertypen von Vorteil ist.
Beispielweise haben thermodynamische Messungen gezeigt, dass ein Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 eine Liquidustemperatur von unter 2050 °C, insbesondere von 2010+/-30 °C, und eine kubische Kristallstruktur hat. Wenn der Anteil von Erbiumoxid in dem zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristall grö- ßer als 0 % ist, weist auch das Ausgangsmaterial zusätzlich Erbiumoxid auf. Vorzugsweise sind die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3 , (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 aufgespannten ternären Phasendiagramm von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall weist nur Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid auf, sodass sich deren Anteile in dem Selten- erd-Sesquioxid-Kristall zu 100 % addieren. Ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer Zu- sammensetzung aus dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3 , (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 auf- gespannten ternären Phasendiagramm hat eine Liquidustemperaturvon unter 2200 °C und eine kubische Kristallstruktur. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann insbesondere in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet werden, beispielsweise nach dem Czochralski-Ver- fahren. Insbesondere nach dem Czochralski-Verfahren kann ein Seltenerd-Sesquioxid- Kristall aus Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid mit einer Kristallqualität gezüchtet werden, der sich für die Verwendung als Laserkristall eignet.
Vorzugsweise sind die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid in dem Ausgangsmate- rial des Kristallzüchtungssystems so gewählt, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2200 °C oder weniger, insbesondere zwi- schen 2000 °C und 2200 °C oder zwischen 2100 °C und 2200 °C, beträgt. Falls der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall weitere Stoffe enthält, z.B. Erbiumoxid und/oder Lutetiumoxid, sind auch deren Anteile in dem Ausgangsmaterial so gewählt, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2200 °C oder weniger, insbesondere zwischen 2000 °C und 2200 °C oder zwischen 2100 °C und 2200 °C, beträgt.
Die Erfindung schließt auch ein Verwenden eines Tiegels in einem Kristallzüchtungsver- fahren ein, wobei der Tiegel aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, ins- besondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat, zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid- Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise we- nigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält.
Das Kristallzüchtungsverfahren kann beispielsweise das Czochralski-Verfahren, das HEM- Verfahren oder ein alternatives Verfahren sein, in dem zum Züchten eines Seltenerd- Sesquioxid-Kristalls ein Tiegel verwendet wird. Vorzugsweise besteht der Tiegel aus Iri- dium. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann nur Yttriumoxid und Scandiumoxid oder zu- sätzlich bis zu 15 % Erbiumoxid und/oder bis zu 45 % Lutetiumoxid enthalten. Auch weitere Seltene Erden können zusätzlich zu Yttriumoxid und Scandiumoxid in dem Seltenerd- Sesquioxid-Kristall und entsprechend auch in dem Ausgangsmaterial enthalten sein. Ins- besondere können solche Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle dotiert sein.
Die Erfindung schließt auch einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruk- tur ein, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, und der mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren oder einem der Ver- fahren der anderen Ausführungsformen derart hergestellt wurde, dass er als Laserkristall für einen Festkörperlaser geeignet ist. Ein solcher Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der für einen Laserkristall notwendigen Kristallqualität kann beispielsweise nach dem Czochralski- Verfahren oder dem HEM-Verfahren hergestellt worden sein, wobei in diesen Verfahren ein Tiegel verwendet wurde, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztempe- ratur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
Durch entsprechende Dotierung kann die Wellenlänge oder der Wellenlängenbereich, in- dem der als Laserkristall für einen Festkörperlaser verwendete Seltenerd-Sesquioxid-Kris- tall aus der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, Licht emit- tiert, eingestellt werden. Eine Dotierung kann bis zu 15 % des Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talls ausmachen. Eine Dotierung umfasst insbesondere diejenigen Stoffe, die für die laser- relevanten optischen Eigenschaften des Materials verantwortlich sind.
Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall beispielsweise mit Yb dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1 pm - 1 ,1 pm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Tm dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1 ,8 pm - 2 pm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd- Sesquioxid-Kristall mit Ho dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1 ,9 pm - 2,1 pm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kris- tall mit Er dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei 1 ,5 pm oder 2,95 pm Licht emittiert. Wenn der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Nd dotiert ist, eignet sich dieser als oder für einen Laserkristall für einen Laser, der bei Wel- lenlängen zwischen 0,9 pm und 1 ,6 pm Licht emittiert. Auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit we- nigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, als oder für einen Szinti- llator ist möglich.
Die Erfindung schließt auch ein Substrat ein, welches aus einem Seltenerd-Sesquioxid- Kristall mit kubischer Kristallstruktur gebildet ist, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugs- weise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, und der nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Durch Anpassen der Anteile der Stoffe in dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall und entspre- chend in dem Ausgangsmaterial kann das Substrat eine Gitterkonstante haben, die der Gitterkonstante einer funktionalen Schicht entspricht, die auf das Substrat gitterangepasst aufgewachsen werden soll. Das Substrat kann durch Anpassen der Anteile der Stoffe in dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall auch eine derartige Gitterkonstante haben, dass eine Schicht durch gezielt verspanntes Schichtwachstum auf das Substrat aufgebracht werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
Auswählen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid in einem Ausgangsma- terial, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C, beispielsweise zwischen 2000 °C und 2200 °C beträgt,
- Schmelzen des Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger, vor- zugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C, beispielsweise zwischen 2000 °C und 2200 °C.
Dieses Verfahren stellt eine eigene Erfindung dar, die eigenständig und unabhängig von aber auch in Kombination mit den vorstehend beschriebenen Aspekten realisiert werden kann. Insbesondere wird in dem Verfahren im Gegensatz zu den vorstehend beschriebe- nen Verfahren nicht notwendigerweise ein Tiegel verwendet. In dem Verfahren wird das Ausgangsmaterial bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger geschmolzen. Das in dem Verfahren verwendete Ausgangsmaterial weist eine Liquidustemperatur von unter 2400 °C, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C, auf.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Stoffgemisch mit wenigstens Yttri- umoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandi- umoxid, sich azeotrop verhält, so dass eine Mischung in bestimmten Verhältnissen von diesen zu einer Liduidustemperatur führt, die unterhalb der Schmelzpunkte der Einzelkom- ponenten liegt. Bei dem Ausgangsmaterial, zum Beispiel aus wenigstens Yttriumoxid, vor- zugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, sowie optional weiteren Sesquioxiden, wie insbesondere Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid, han- delt es sich um eine azeotrope Mischreihe. Insbesondere an und um einen azeotropen Punkt in einer azeotropen Mischreihe der Sesquioxide kann die Schmelztemperatur des Stoffgemisches unter derjenigen der Einzelkomponenten liegen.
Die Einzelkomponenten Scandiumoxid und Yttriumoxid für sich haben einen Schmelzpunkt von über 2400 °C, so dass im Gegensatz zur Erfindung aufwendigere Züchtungsaufbauten erforderlich sind, um Kristalle aus Scandiumoxid oder Yttriumoxid zu züchten. Dadurch, dass nach dem Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur eine niedrigere Temperatur von 2400 °C oder weniger zum Züchten erfor- derlich ist, kann ein einfacherer und kostengünstigerer Züchtungsaufbau verwendet wer- den, beispielsweise ein Tiegel aus Iridium in einem Züchtungsverfahren mit Tiegel, wie dem Czochralski-Verfahren oder ein kostengünstigerer Züchtungsaufbau für ein optisches Zonenschmelzen. Ferner ist zum Erzeugen einer niedrigeren Temperatur zum Züchten auch weniger Energie erforderlich, so dass die Kosten weiter reduziert werden können. Durch den niedrigeren Schmelzpunkt können auch Temperaturgradienten innerhalb der Schmelze und somit Spannungen in dem gezüchteten Seltenerd-Sesquioxid-Kristall ver- ringert werden. Dies kann die optische Qualität des so gezüchteten Seltenerd-Sesquioxid- Kristalls durch die Verringerung spannungsinduzierter Doppelbrechung verbessern.
Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann auch mittels eines tiegelfreien Verfahrens gezüch- tet werden, besonderes bevorzugt mittels optischem Zonenschmelzen. Das optische Zo- nenschmelzen eignet sich insbesondere für die Herstellung elektrisch nichtleitender Mate- rialien, die nicht induktiv geheizt werden können. Beim optischen Zonenschmelzen können beispielsweise eine oder mehrere Lampen ver- wendet werden, um das Ausgangsmaterial in einer jeweiligen Zone zu erwärmen. Die Strahlung der Lampe oder Lampen kann zum Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls auf die jeweilige Zone des Ausgangsmaterials fokussiert und entlang des Ausgangsmate- rials geführt werden. Alternativ kann das Ausgangsmaterial beim optischen Zonenschmel- zen durch den Fokus geführt werden.
In dem tiegelfreien Kristallzüchtungsverfahren kann das Ausgangsmaterial dieselben Zu- sammensetzungen von Stoffen haben, wie sie vorstehend in Bezug auf die Kristallzüch- tungsverfahren mit Tiegel beschrieben sind.
Das Ausgangsmaterial kann zum Beispiel zusätzlich zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid enthalten und Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangs- material können so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Selten- erd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0,8Sc0,2)2O3 und (Lu0,8 Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Be- reich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt, ausgenommen den Punkt (Lu0,8Sc0,2)2O3.
Insbesondere kann das Ausgangsmaterial zusätzlich zwischen 0 % und 25 % Lutetiumoxid enthalten und Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangs- material so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd- Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25Y0,4 Sc0,35)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendia- gramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
Alternativ kann das Ausgangsmaterial bis zu 15 % Erbiumoxid enthalten und die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sein, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zu- sammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttri- umoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren nä- her erläutert werden. Von den Figuren zeigt:
Fig .1 : ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Züchten ei- nes Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze, Fig. 2:ein schematisch dargestelltes Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Selten- erd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze,
Fig. 3:einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusam- mensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3, der nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wurde,
Fig. 4:ein durch Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufgespanntes ternäres Phasendiagramm,
Fig. 5:eine Vielzahl Messungen zur Bestimmung der Solidus- und Liquidustemperaturen eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls der Yttriumoxid, Scandiumoxid und Luteti- umoxid jeweils zu unterschiedlichen Anteilen enthält,
Fig. 6:Differenz-Thermoanalyse-Untersuchungen des Solidus- und Liquiduspunkts eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit derselben Zusammensetzung, wie der in Fig. 3 gezeigte Seltenerd-Sesquioxid-Kristall, und
Fig. 7:einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusam- mensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3, der mittels optischem Zonenschmelzen gezüchtet wurde.
Figur 1 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Das Verfahren dient dazu einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zu züchten, der wenigstens Yttri- umoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandi- umoxid, enthält.
Das Verfahren kann im Rahmen eines bereits bekannten Kristallzüchtungsverfahrens durchgeführt werden, beispielsweise als Modifikation des Czochralski-Verfahrens und des optischen Zonenschmelzverfahrens.
In dem Verfahren wird zunächst ein Ausgangsmaterial bereitgestellt (Schritt S1). In diesem Ausführungsbeispiel, umfasst das Ausgangsmaterial 10 % Lutetiumoxid, 50 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid. In anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens kann das Aus- gangsmaterial zusätzlich oder alternativ auch andere Stoffe umfassen, jedoch wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, besonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid. Das Ausgangsmaterial kann in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nur Yttriumoxid und Scandiumoxid umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen des Ver- fahrens kann das Ausgangsmaterial beispielsweise zusätzlich Erbiumoxid und/oder Lute- tiumoxid umfassen. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise auch Seltenerd-Dotier- atome aufweisen, beispielsweise Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd.
Die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid und - falls vorhanden - der weiteren Stoffe wie Lutetiumoxid und/oder Erbiumoxid können im Ausgangsmaterial so angepasst sein, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine vorgegebene Gitterkonstante hat. Die Gitterkonstante des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls kann beispiels- weise durch die Gitterkonstante des Stoffes derjenigen Schicht vorgegeben sein, die git- terangepasst oder mit definierten Versatz auf ein aus dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall hergestelltes Substrat aufgebracht werden soll.
Das Ausgangsmaterial liegt in Pulverform vor und wird in einen Tiegel aus Iridium gegeben (Schritt S2). In alternativen Ausführungsbeispielen wird das Ausgangsmaterial in einen an- deren Tiegel gegeben, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, ins- besondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
In dem Tiegel wird das Ausgangsmaterial geschmolzen (Schritt 3). Ein Impfkristall wird mit der Schmelze in Berührung gebracht und nach dem Czochralski-Verfahren wird aus der Schmelze ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall gezüchtet (Schritt S4). In alternativen Ausfüh- rungsbeispielen wird das Ausgangsmaterial in dem Tiegel geschmolzen und der Seltenerd- Sesquioxid-Kristall anschließend nach einem anderen Kristallzüchtungsverfahren als dem Czochralski-Verfahren gezüchtet, beispielweise nach Bridgman-Verfahren.
Figur 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Kristallzüchtungssystem 200 zum Züchten ei- nes Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttri- umoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze.
Das Kristallzüchtungssystem 200 ist in einer Seitenansicht mit Blick auf einen Längsschnitt durch das Kristallzüchtungssystem 200 dargestellt.
Mit dem Kristallzüchtungssystem 200 kann das vorstehend in Bezug auf Figur 1 beschrie- bene Verfahren durchgeführt werden. Das Kristallzüchtungssystem 200 umfasst einen Tiegel 202 aus Iridium. Der Tiegel hat eine zylindrische Form. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst das Kristallzüchtungs- system 200 einen anderen Tiegel, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, ins- besondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht. Alternativ kann der Tiegel 202 auch eine andere Form haben, und beispielweise ausgehend von der Öffnung konisch zusam- menlaufen.
Das Kristallzüchtungssystem 200 umfasst weiterhin ein Ausgangsmaterial 204, welches Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufweist. Insbesondere weist das Ausgangs- material 204 in diesem Ausführungsbeispiel 10 % Lutetiumoxid, 50 % Yttriumoxid und 40 % Scandiumoxid auf. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst das Ausgangsmate- rial wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigs- tens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, und kann zusätz- lich weitere Stoffe enthalten, beispielweise bis zu 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise bis zu 45 % Lutetiumoxid und/oder bis zu 15 % Erbiumoxid. Das Ausgangsmaterial 204 kann auch nur Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweisen. In der Regel weist das Ausgangsma- terial 204 Seltenerd-Dotieratomen auf, sodass der aus dem Ausgangsmaterial 204 gezüch- tete Seltenerd-Sesquioxid-Kristall dotiert ist.
Der Tiegel 202 ist von einer Isolierung 206 umgeben, die ausgebildet und angeordnet ist, einen definierten Temperaturgradienten innerhalb der Schmelze zu gewährleisten. Es ist auch möglich, dass der Tiegel 202 nicht von einer Isolierung umgeben, sondern direkt mit einem Heizelement in Kontakt ist.
Bei dem Kristallzüchtungssystem 200 ist jedoch um die Isolierung 206 ein Heizelement 208 angeordnet. Das Heizelement 208 ist als Induktionsheizelement ausgebildet und umfasst eine Induktionsheizspule, die als Helix um den Tiegel 202 gewickelt ist. Mit dem Heizele- ment 208 kann der Tiegel 202 mit dem Ausgangsmaterial 204 mittels Radiofrequenzstrah- lung induktiv bis zum vollständigen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials 204, beispiels- weise bis zur Liquidustemperatur des Ausgangsmaterials 204, erhitzt werden, um aus ei- nem typischerweise pulverförmigen Ausgangsmaterial 204 eine Schmelze zu erzeugen, aus der der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall gezüchtet werden kann.
Falls das Kristallzüchtungssystem 200 dazu verwendet werden soll, einen Seltenerd- Sesquioxid-Kristall nach dem Czochralski-Verfahren zu züchten, weist dieses zusätzlich einen an einem Halter 210 befestigten Impfkristall 212 und eine Vorrichtung 214 auf, um den Impfkristall 212 an dem Halter 210 unter Drehen, kontrolliert aus der Schmelze zu ziehen.
Figur 3 zeigt einen Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3.
Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 wurde nach dem Czochralski-Verfahren in einem Tiegel aus Iridium gezüchtet. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 hat eine kubische Kris- tallstruktur und eine Liquidustemperatur von weniger als 2050 °C. In diesem Ausführungs- beispiel wurden als Ausgangsmaterial für den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 Erbi- umoxid, Yttriumoxid und Scandiumoxid in Pulverform mit einer Reinheit von 4N verwendet. Die Kristallqualität des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls 300 reicht aus, um diesen als Laser- kristall zu verwenden.
Aus dem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 300 kann auch ein Substrat gefertigt werden, auf das weitere Schichten im Schichtwachstum aufgewachsen werden können, um daraus an- schließend ein optisches oder elektrooptisches Bauteil zu fertigen.
Figur 4 zeigt ein durch Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid aufgespanntes ternä- res Phasendiagramm 400. Die Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle mit in dem ternären Phasen- diagramm 400 gezeigten Zusammensetzungen haben Liquidustemperaturen zwischen 2090 °C und 2490 °C.
Die mit einem Stern-Symbol 402 gekennzeichneten Temperaturwerte entsprechen den Li- quidustemperaturen, der jeweiligen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle, die Gegenstand der in Bezug auf Figur 5 beschriebenen Messungen waren. Die mit einem Rechteck-Symbol 404 gekennzeichneten Temperaturwerte für Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle mit jeweils unter- schiedlichen Anteilen von Scandiumoxid und Lutetiumoxid stammen von Badie, J.M., „Etude de la structure des phases ä haute temperature presentees pas les systemes Sc2O3-La2O3 et Sc2O3-Nd2O3 “, aus High Temp. - High Press., 1970. 2: Seiten 309-316 und Peters, R., K. Petermann, and G. Huber, “Growth technology and laser properties of Yb- doped sesquioxides”, aus Crystal Growth Technology - Semiconductors and Dielectrics, P. Capper and P Rudolph, Editors. 2010, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim. Seiten 267-282.
Mit einem Kreis-Symbol 406 sind weitere in thermodynamischen Untersuchungen gewon- nene Temperaturwerte im ternären Phasendiagramm angegeben. Das Phasendiagramm 400 wurde durch Interpolation zwischen den als Kreis-Symbol 406 dargestellten Mess- punkten erstellt. Insbesondere in dem durch die Zusammensetzungen (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25Y0,4 Sc0,35)2O3 aufgespannten Bereich 408 findet die Kristallisation der jeweiligen Sel- tenerd-Sesquioxid-Kristalle in einer kubischen Phase mit Liquidustemperaturen unterhalb von 2170 °C ± 30 °C statt. Durch Beimischung von anderen Seltenerdatomen, wie es in Fig. 6 beispielhaft für eine Zusammensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 gezeigt ist, ist es mög- lich, die Liquidustemperatur noch weiter zu senken.
In dem durch die Zusammensetzungen (Y0,75Sc0,25)2O3, (Y0,3Sc0,7)2O3, (Lu0,35Y0,25Sc0,4)2O3 und (Lu0,4Y0,4Sc0,2)2O3 aufgespannten Bereich 410 liegen die Liquidustemperaturen unter- halb von 2200 °C.
In dem von den Zusammensetzungen (Y0,85Sc0,15)2O3, (Y0,15Sc0,85)2O3, (Lu0,5Y0,1Sc0,4)2O3 und (Lu0,6 Y0,25Sc0,15)2O3 aufgespannten Bereich 412 liegen die Liquidustemperaturen un- terhalb von 2300 °C.
In dem von den Zusammensetzungen (Y0,95Sc0,05)2O3 , (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0,8 Sc0,15 Y0,05)2O3 und (Lu0,8 Y0,15Sc0,05)2O3 aufgespannten Bereich 414 liegen die Liquidustemperaturen un- terhalb von 2400 °C.
Figur 5 zeigt eine Vielzahl Messungen 500 zur Bestimmung der Solidus- und Liquidustem- peraturen eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls der Yttriumoxid, Scandiumoxid und Luteti- umoxid jeweils zu unterschiedlichen Anteilen enthält.
Für jede der Messungen 500 ist das Differenz-Thermoanalyse (DTA)-Signal in pV/mg eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit jeweils unterschiedlichen Anteilen von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid über der Temperatur zwischen 1950 °C bis 2250 °C an- gegeben. Dabei wurde der Anteil an Lutetiumoxid für die Messungen sukzessive von 0 % bis 43 % erhöht und gleichzeitig der Anteil von Scandiumoxid von 60 % auf 34 % sowie der Anteil von Yttriumoxid von 40 % auf 23 % gesenkt, wobei die Summe aus den Anteilen von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid sich für jeden der Seltenerd-Sesquioxid-Kris- talle jeweils zu 100 % aufaddieren.
Insbesondere wurden die Messkurve 500.1 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,0 Sc0,60 Y0,40)2O3, die Messkurve 500.2 an einem Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,04Sc0,58Y0,38)2O3, die Messkurve 500.3 an ei- nem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,07Sc0,56Y0,37)2O3, die Messkurve 500.4 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,12Sc0,53Y0,35)2O3, die Messkurve 500.5 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,17Sc0,50Y0,33)2O3, die Messkurve 500.6 an einem Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,23Sc0,46Y0,31)2O3, die Messkurve 500.7 an ei- nem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,28Sc0,43Y0,29)2O3, die Messkurve 500.8 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,32Sc0,41Y0,27)2O3, die Messkurve 500.9 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,36Sc0,38Y0,26)2O3, die Messkurve 500.10 an einem Seltenerd- Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,40Sc0,36Y0,24)2O3 , und die Messkurve 500.11 an einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Lu0,43Sc0,34Y0,23)2O3 aufgenommen.
Jede der Messkurven 500.1 bis 500.11 weist bei einer ersten Temperatur eine erste Mar- kierung 502, die den Solidus-Punkt angibt und bei einer im Vergleich zu der ersten Tem- peratur höheren zweiten Temperatur eine zweite Markierung 504, die den Liquidus-Punkt angibt, auf.
Die Messungen 500 zeigen, dass das untersuchte Materialsystem in einem weiten Zusam- mensetzungsbereich Liquidustemperaturen unterhalb von 2170 °C (gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie 506) aufweist.
Die aus den Messkurven 500.1 bis 500.11 extrahierten Liquidustemperaturen der unter- schiedlichen Seltenerd-Sesquioxid-Kristalle sind in dem in Figur 4 gezeigten ternären Pha- sendiagramm als Stern-Symbole eingezeichnet.
Figur 6 zeigt drei in zeitlicher Abfolge durchgeführte Differenz-Thermoanalyse (DTA)- Untersuchungen 600 der Liquidustemperatur eines Seltenerd-Sesquioxids mit der Zusam- mensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 . Diese Zusammensetzung entspricht der Zusammenset- zung des in Fig. 3 gezeigten Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls.
Bei einer DTA-Untersuchung wird ein Material in einem Tiegel erhitzt und die Erwärmung pro Energiezufuhr gemessen. Entsprechend sind für die Messkurven 600.1 , 600.2, und 600.3 jeweils das Differenz-Thermoanalyse (DTA)-Signal in pV/mg des Seltenerd-Sesqui- oxid-Kristalls über der Temperatur zwischen 1660 °C und 2320 °C angegeben.
Um die erste Messkurve 600.1 zu erhalten wurde zunächst das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls geschmolzen. Das Pulver hat einen vergleichsweise schlechteren Wärmekontakt zum Tiegel, weshalb die erste Messung unter Umständen vergleichsweise ungenau sein kann. Außerdem ist das noch nicht geschmol- zene Pulver unter Umständen inhomogen und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, was zu Fehlinterpretationen führen kann. Nachdem das Ausgangsmaterial aufgeschmol- zen und wieder erstarrt ist, befindet sich die Probe im thermodynamischen Gleichgewicht, ist homogen und der Wärmekontakt deutlich verbessert. Deshalb wurde die DTA- Untersuchung zweimal wiederholt. Die erste Wiederholung hat zu der Messkurve 600.2 und die zweite Wiederholung zu der Messkurve 600.3 geführt. Die Ähnlichkeit der drei Messkurven 600.1 , 600.2, 600.3 belegt die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der durch- geführten DTA-Untersuchungen.
Bei einem Phasenübergang (hier Schmelzen) wird Energie benötigt oder freigesetzt, was anhand von Ausschlägen im DTA-Signalverlauf erkennbar ist. An diesen Ausschlägen lässt sich z.B. der Solidus-Punkt und der Liquidus-Punkt eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls erkennen.
Für den untersuchten Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 ergibt sich so aus den Messkurven 600.1 , 600.2, 600.3 ein Solidus- Punkt von (2010 +/- 10) °C und ein Liquidus-Punkt von (2045 +/- 10) °C.
In Figur 7 ist ein Seltenerd-Sesquioxid-Kristall 700 mit kubischer Kristallstruktur mit der Zusammensetzung (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 gezeigt, der mittels optischem Zonenschmelzen gezüchtet wurde.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung das Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur aus einer Schmelze. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall enthält wenigstens 5 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, so dass seine Liquidus- temperatur unter 2400 °C beträgt. Alternativ kann der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall auch Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid enthalten und die Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid können in einem Ausgangsmaterial so ausgewählt sein, dass der zu züchtende Selternerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur von unter 2400 °C hat. Das Ausgangsmaterial kann in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C hat, bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger geschmolzen werden. Der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall kann aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial unter Verwenden eines Kristallzüchtungsverfahrens, beispielsweise des Czochralski-Verfahrens oder des HEM-Verfahrens gezüchtet werden. Auch ein tiegelfreies Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls ist bei einer Temperatur von 2400 °C oder we- niger möglich, beispielsweise mittels optischem Zonenschmelzen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristall- struktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttri- umoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandi- umoxid enthält, aus einer Schmelze, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
Schmelzen eines Ausgangsmaterials, das wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist, in einem Tiegel, der aus einem Material besteht, wel- ches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, hat.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
Züchten des Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls aus dem geschmolzenen Aus- gangsmaterial.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall unter Verwenden des Czochralski-Verfahrens, des HEM-Verfahrens, des Skull-melting Verfahrens, des Bagdasarov- Verfahrens, oder des Bridgman-Verfahrens gezüchtet wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, das den Schritt um- fasst:
Anpassen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid im Ausgangsma- terial, um den Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit einer vorgegebenen Gitter- konstanten herzustellen.
5. Kristallzüchtungssystem zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubi- scher Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze, wobei das Kristallzüchtungssystem ent- hält: einen Tiegel, der aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vorzugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwischen 2200 °C und 2500 °C, besteht, ein Ausgangsmaterial, welches wenigstens Yttriumoxid und Scandiumoxid aufweist und ein Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, den Tiegel wenigstens bis zum vollständigen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials aufzuheizen.
6. Kristallzüchtungssystem gemäß Anspruch 5, wobei das Ausgangsmaterial zusätz- lich Lutetiumoxid aufweist und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall zu- sätzlich bis zu 45 % Lutetiumoxid enthält.
7. Kristallzüchtungssystem gemäß Anspruch 5, wobei der zu züchtende Seltenerd- Sesquioxid-Kristall zwischen 5 % und 95 % Yttriumoxid, vorzugsweise zwischen 40 % und 70 % Yttriumoxid, zwischen 5 % und 95 % Scandiumoxid, vorzugsweise zwischen 30 % und 55 % Scandiumoxid, und zwischen 0 % und 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise zwischen 0 % und 25 % Lutetiumoxid enthält, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Lutetiumoxid aufweist, wenn der Anteil von Lutetiumoxid im Seltenerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist.
8. Kristallzüchtungssystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Ausgangs- material wenigstens Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd aufweist und der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit Yb, Tm, Ho, Er und/oder Nd dotiert ist.
9. Kristallzüchtungssystem nach Anspruch 7, wobei Anteile von Yttriumoxid, Scandi- umoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Mate- rialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammen- setzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25 Y0,4 Sc0,35)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid liegt.
10. Kristallzüchtungssystem gemäß wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Erbiumoxid aufweist und der zu züchtende Seltenerd- Sesquioxid-Kristall zusätzlich bis zu 15 % Erbiumoxid enthält.
11. Kristallzüchtungssystem nach Anspruch 5, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich Erbiumoxid aufweist, wenn der Anteil von Erbiumoxid in dem zu züchtenden Selte- nerd-Sesquioxid-Kristall größer als 0 % ist und wobei die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zu- sammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid liegt.
12. Kristallzüchtungssystem gemäß wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 11 , wobei Anteile von Yttriumoxid und Scandiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2200 °C oder weniger, insbesondere zwischen 2000 °C und 2200 °C oder zwischen 2100 °C und 2200 °C, beträgt.
13. Verwenden eines Tiegels in einem Kristallzüchtungsverfahren, wobei der Tiegel aus einem Material besteht, welches eine Schmelztemperatur von unter 3000 °C, vor- zugsweise unter 2800 °C, besonders bevorzugt unter 2500 °C, insbesondere zwi- schen 2200 °C und 2500 °C, hat, zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigs- tens 20 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid enthält.
14. Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristallstruktur, der wenigstens 5 % Yttri- umoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid und wenigstens 5 % Scandi- umoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid enthält, und der mit einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 derart hergestellt wurde, dass er als Laserkristall für einen Festkörperlaser geeignet ist.
15. Substrat, welches aus einem Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mit kubischer Kristall- struktur gebildet ist, der wenigstens 5 % Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandiumoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, und der mit einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.
16. Verfahren zum Züchten eines Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls mit kubischer Kristall- struktur, der wenigstens Yttriumoxid, vorzugsweise wenigstens 5 % Yttriumoxid, be- sonders bevorzugt wenigstens 20 % Yttriumoxid, und wenigstens 5 % Scandi- umoxid, vorzugsweise wenigstens 15 % Scandiumoxid, enthält, aus einer Schmelze, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
Auswählen von Anteilen von Yttriumoxid und Scandiumoxid in einem Aus- gangsmaterial, so dass der zu züchtende Seltenerd-Sesquioxid-Kristall eine Liquidustemperatur hat, die 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C beträgt,
Schmelzen des Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von 2400 °C oder weniger, vorzugsweise unter 2200 °C, besonders bevorzugt unter 2050 °C, insbesondere zwischen 2000 °C und 2400 °C.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Seltenerd-Sesquioxid-Kristall mittels eines tiegelfreien Verfahrens, insbesondere optischem Zonenschmelzen, gezüchtet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich zwi- schen 0 % und 80 % Lutetiumoxid, vorzugsweise zwischen 0 % und 25 % Luteti- umoxid enthält und Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Lutetiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züchtenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,95Sc0,05)2O3, (Y0,05Sc0,95)2O3, (Lu0,8Sc0,2)2O3 und (Lu0,8 Y0,15Sc0,05)2O3, vorzugs- weise durch (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Lu0,25Y0,4 Sc0,35)2O3, aufgespannten Bereich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Luteti- umoxid liegt, ausgenommen den Punkt (Lu0,8Sc0,2)2O3 .
19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Ausgangsmaterial bis zu 15 % Er- biumoxid enthält und die Anteile von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbiumoxid in dem Ausgangsmaterial so gewählt sind, dass die Materialkomposition des zu züch- tenden Seltenerd-Sesquioxid-Kristalls einer Zusammensetzung entspricht, die in dem durch (Y0,7Sc0,3)2O3, (Y0,45Sc0,55)2O3 und (Er0,07Y0, 43Sc0,5)2O3 aufgespannten Be- reich des ternären Phasendiagramms von Yttriumoxid, Scandiumoxid und Erbi- umoxid liegt.
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