Способ получения сложного оксида формулы y2be2sio7

 

Изобретение относится к новому способу получения сложного оксида состава Y2Be2SiO7, который может быть использован в качестве кристаллической среды для лазерных кристаллов. Кристаллы выращены методом Чохральского на ростовой установке "Кристалл-3". Исходные оксиды берут в весовом соотношении: оксид иттрия 67,22-76,21%, оксид кремния 12,98-17,89%, оксид бериллия - до 100%, смешивают, смесь прессуют в виде таблеток, которые потом отжимают при температуре 1195-1205oС в течение 19-20 ч и затем загружают в тигель для выращивания кристаллов. Атмосфера выращивания: азот/кислород с относительной объемной концентрацией 98/2; иридиевый тигель 40х2х40 мм; температура на поверхности расплава 1650oС; затравка - иридиевый стержень; скорость вытягивания 1,5-3 мм/ч; скорость вращения штока 10 об/мин; теплоизоляция ростовой камеры - керамика Al2O3, ZrO2. Получены кристаллы больших размеров (диаметром 15 мм и длиной 30 мм) хорошего оптического качества.

Изобретение относится к новому способу получения сложного оксида состава Y2Be2SiO7, являющегося перспективным материалом для оптоэлектроники.

Оксидные кристаллы, активированные ионами Cr4+, интересны как активные среды для перестраиваемых в ближней ИК области (1,3-1,5 мкм), и как работающие на эффекте насыщаемого поглощения пассивные затворы одномикронных лазеров [V.G.Ostroumov, F.Heine, S.Kuck, G.Huber, V.A.Mikhailov, I.A.Shcherbakov. Intracavity frequency-doubling diode-pumped Nb: LaSc3(BO3)4laser. // Appl. Phys B., 1997, v.64, p. 301-305.]. Для активации ионами Cr4+ наиболее предпочтительны кристаллические среды, содержащие в кристаллической структуре позиции с тетраэдрической координацией. К известным на сегодняшний день допированных Cr4+ лазерным средам относятся форстерит Mg2SiO4 и гранат Y3Al5O12, в структурах которых наряду с тетраэдрическими содержатся октаэдрические позиции, куда охотно входят ионы хрома с обычным формальным зарядом Cr3+. Вследствие этого содержание Cr4+ в кристаллах обычно очень низко. Например, в гранатах при общем содержании хрома ~1 % ат. типичные концентрации тетраэдрически координированного Cr4+ составляют лишь сотые доли от концентрации Cr3+, занимающих октаэдрические позиции [E.V.Zharikov. Rare-earth scandium garnets: problems of materials science. - Proc. of General Phys. Inst. "Optically dense active media". M.: Nauka, 26, 50-78 (1990)].

Увеличение содержания Cr4+ в кристаллах может быть достигнуто в кристаллической матрице соединения, содержащего в структуре лишь тетраэдрические позиции. При этом концентрация ионов Cr4+ в тетраэдрических позициях будет зависеть от формального заряда замещаемого катиона: при изовалентном замещении содержание ионов Cr4+ должно быть больше, нежели при гетеровалентном, но в обоих случаях совместно с ионами Cr3+. Были рассмотрены в качестве перспективных лазерных матриц кристаллы семейства мелилита: (Ca2MgSi2O7 и Ca2Al(AlSi)O7 [Кузьмичева Г. М., Жариков Е.В., Денисов А.Л. Рентгеноструктурное исследование синтетических геленитов Cа2Al(AlSi)O7 и акерманитов Ca2MgSi2О7, допированных ионами хрома. - Журнал неорганической химии, 1995, т. 40, 9, c.1422-1428], CaYAl3O7 [Кузьмичева Г.М., Мухин Б.В., Рыбаков В.Б., Денисов А.Л., Жариков Е.В., Смирнов В.А. Особенности изоморфизма в мелилитах CaYAl3О7, содержащих ионы хрома. - Журнал неорганической химии, 1995, т.40, 4, с. 569-577] , в строении которых присутствуют одиночные (MgO4 и AlO4) и сдвоенные (Si2O7, (Al,Si)2O7 и Al2O7) тетраэдры.

Присутствие ионов хрома в той или иной тетраэдрической позиции структуры и его формальный заряд определяется в первую очередь формальными зарядами катионов, находящихся в этих позициях (преимущественно Cr3+ для кристаллов CaYAl3+3O7 и Cr4+ для кристаллов Ca2Al(AlSi4+)O7 и Ca2MgSi4+2O7). Однако вхождение ионов хрома Cr4+ в диортогруппы соединений Ca2Al(AlSi4+)O7 и Ca2MgSi4+2O7 приводит к концентрационному тушению люминесценции из-за короткого расстояния между ионами активатора. С этих позиций представляется наиболее интересным соединение состава Y2Be2Si4+O7, принадлежащее к семейству мелилита.

Аналогом предлагаемого нами решения, является способ получения сложного оксида состава Y2Be2SiO7, кристаллизующегося в структуре семейства мелилита, который был получен по методу Чохральского, аналогично другому сложному оксиду - скандоборату лантана [Кутовой С.А. и др. Квантовая электроника, 1991, т. 18, 2, с.149], что предопределяет возможность промышленного производства кристаллов диаметром 15 мм и длиной 30 мм хорошего оптического качества на ростовой установке "Кристалл-3" (азотно-кислородная атмосфера выращивания - N2/O2 с относительной объемной концентрацией 98/2 (об.%); иридиевый тигель 40x2x40 мм; температура на поверхности расплава около 1650oС; затравка - иридиевый стержень; скорость вытягивания 1,5-3 мм/ч; скорость вращения штока 10 об/мин; теплоизоляция ростовой камеры - керамика Al2O3, ZrO2).

Наиболее близким решением к предлагаемому является работа [Ваrtrаm S.F. Сrystal struсture оf Y2Be2SiO7. // Асtа сristallogrарhiса, В. 1969, v.25, p. 791-795], в которой описаны способы получения Y2Be2SiO7. Поликристаллические образцы Y2Be2SiO7, были синтезированы на воздухе при 1350oС в течение 100 ч из стехиометрического количества оксидов иттрия, кремния и бериллия, предварительно спрессованных в таблетку. Монокристаллы размером 0,150,150,2 мм получены при газовом транспорте SiO2 на поверхности стержня BeO-Y2O3 в печи Глобара, в которой в качестве изолятора использовались кирпичи из SiO2. Описанные поликристаллические образцы и монокристаллы такого малого размера не могут быть использованы в качестве среды для лазерных кристаллов.

Цель данного изобретения - разработка способа получения больших размеров сложного оксида состава Y2Be2SiO7, кристаллизующегося в структуре семейства мелилита.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что в качестве исходных материалов для получения сложного оксида формулы Y2Be2SiO7 использовались высокочистые порошки оксидов иттрия, кремния, бериллия в следующем весовом соотношении: оксид иттрия - 76,21-67,22%, оксид кремния - 17,89-12,98%, оксид бериллия - остальное содержание до 100%. Высокочистые порошки оксидов перемешивают, смесь прессуют в виде таблеток диаметром 30 мм. Таблетки отжигают в муфельной печи при температуре 1195-1205oС течение 19-20 ч, после чего таблетки загружают в тигель, плавят и выращивают кристалл из расплава с температурой на поверхности 1645-1655oС по методу Чохральского.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Исходные высокочистые порошки оксидов иттрия, кремния и бериллия взвешивают в весовом соотношении: оксид иттрия - 76,21-67,22%, оксид кремния 17,89-12,98%, оксид бериллия - остальное содержание до 100%. Вещества тщательно перемешивают и смесь прессуют в виде таблеток диаметром 30 мм. Полученные таблетки отжигают в муфельной печи при температуре 1195-1205oC в течение 19-20 ч. Далее таблетки загружают в иридиевый тигель размером 40x2x40 мм и выращивают кристаллы в азотно-кислородной атмосфере с относительной объемной концентрацией 98/2 (об. %), с температурой на поверхности расплава 1650oС и затравкой в виде иридиевого стержня; скорость вытягивания составляет 1,5-3 мм/ч при скорости вращения штока 10 об/мин. Термоизоляция ростовой камеры - керамика Al2O3, ZrO2. Кристаллы диаметром 15 мм и длиной 30 мм хорошего оптического качества выращены на ростовой установке "Кристалл-3".

Состав и строение кристалла Y2Be2SiO7 определены методом рентгеноструктурного анализа: Тетрагональная сингония.

Пространственная группа: Р-421m.

Параметры ячейки: а=7,273(4), с=4,751(11)А.

Объем ячейки: 251,3(2)А3.

Молекулярный вес: 335,92.

Число формульных единиц в ячейке: 2.

Плотность: 4,440 г/см3.

Съемка обкатанного в сферу монокристаллического образца проведена на дифрактометре CAD-4 [Enraf-Nonius. CAD-4 Software. Version 5.0 Enraf-Nonius. Delft. The Netherlands. 1989.] при комнатной температуре (MoK излучение, графитовый монохроматор, - сканирование, интервал сканирования 1,1+0,345tg, скорость сканирования 1-7 град/мин). Параметры ячейки уточнены по 24 отражениям в угловом интервале 21,0<<21,5. Первичная обработка дифракционных данных проводилась по комплексу программ WinGX-96 [Farrugia L. J. WinGX-96. X-Ray Grystallographic Programs for Windows. Version 1.5 a. University of Glasgow. UK. 1996.], причем для кристалла Y2Be2SiО7 вводилась эмпирическая поправка на поглощение [North A.C.T., D.C.Philips., Mathews F. S.// Acta crystallog., A, 1968, v. 24, p.351].

Кристаллическая структура соединений уточнена полноматричным МНК в анизотропном приближении для всех атомов с использованием комплекса программ SHELXL-97 [Sheldrick G.M.SHELXL-97. Program for the Refinement of Crystall Structures. University of Gottingen. Germany. 1997] при учете атомных кривых рассеяния для нейтральных атомов. В качестве исходной структуры была принята структура Y2Be2SiO7 [Bartram S. F. Crystalstructure of Y2Be2SiO7 // Acta crystallog., B., 1969. v.25, p.791-795].

В структуре данного соединения атомы Y находятся в искаженных восьмивершинниках - скрученных (томсоновских) кубах, атомы Si занимают центры правильных (одиночных) тетраэдров, а атомы Be находятся в диортогруппах Be2О7. Присутствие в структуре Y2Be2Si4+O7 додекаэдрической позиции (аналогичная позиция есть в структуре граната) делает возможным введение Ln-активаторов (в частности, Nd3+, Yb3+) в позицию Y3+. Другой активатор - ион Cr4+ должен изовалентно замещать ионы Si4+, при этом, в отличие от соединений Ca2Al(AlSi4+)O7 и Ca2MgSi4+O7, эффект концентрационного тушения люминесценции должен проявляеться (если и будет) в меньшей мере из-за большого расстояния между ионами активатора, находящихся в одиночных тетраэдрах.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать кристаллы диаметром 15 мм и длиной 30 мм хорошего оптического качества, что предопределяет возможность промышленного производства этих кристаллов.

Формула изобретения

Способ получения сложного оксида формулы Y2Be2SiO7, включающий смешение оксидов, прессование и отжиг с последующим выращиванием монокристалла, отличающийся тем, что исходные оксиды берут в весовом соотношении: оксид иттрия 67,22-76,21%, оксид кремния 12,98-17,89%, оксид бериллия до 100%, отжиг ведут при температуре 1195 - 1205oС в течение 19-20 ч, а выращивание кристалла проводят путем вытягивания монокристалла из расплава с температурой на его поверхности 1650oС со скоростью 1,5-3 мм/ч на затравку - иридиевый стержень, вращающуюся со скоростью 10 об/мин в атмосфере азота и кислорода с относительной объемной концентрацией N2/O2-98/2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности, к монокристаллам для иттербиевых лазеров с длиной волны около 1,064 мкм, перестраиваемых в диапазоне 1-1,08 мкм с диодной накачкой, и для получения лазерной генерации в режиме сверхкоротких импульсов

Изобретение относится к материалам для лазерной техники, а именно к монокристаллическим материалам, предназначенным для получения активных элементов твердотельных лазеров
Изобретение относится к получению нового сложного оксида на основе иттрия и алюминия, являющегося перспективным материалом для оптоэлектроники

Изобретение относится к области лазерной техники и более конкретно - к лазерным медицинским инструментам для стоматологических, дерматологических, оторинологических применений, в том числе с использованием эндоскопов

Изобретение относится к оптической схеме для ослабления оптического шума

Изобретение относится к области лазерной техники и промышленно применимо в перестраиваемых лазерах для целей волоконно-оптической связи и спектроскопии

Изобретение относится к области оптоэлектроники и интегральной оптики, в частности к способу получения направленного когерентного излучения света устройствами микронного размера

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к материалам для лазерной техники и предназначено для применения в твердотельных лазерах с длиной волны стимулированного излучения в интервале от 1,9 мкм до 2,0 мкм

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности, к монокристаллам для иттербиевых лазеров с длиной волны около 1,064 мкм, перестраиваемых в диапазоне 1-1,08 мкм с диодной накачкой, и для получения лазерной генерации в режиме сверхкоротких импульсов
Изобретение относится к производству акустоэлектронных частотно-избирательных устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и объемных акустических волнах (ОАВ)
Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений
Изобретение относится к получению лантангаллиевого силиката, применяемого для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и монолитных фильтров системы радиосвязи и других устройств на объемных и поверхностных акустических волнах
Изобретение относится к получению шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом Чохральского

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов лантангаллиевого силиката, используемого для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к способам получения синтетических драгоценных камней
Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений, а именно лантангаллиевого силиката, обладающего пьезоэлектрическим эффектом и используемого для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к химической технологии композиционных материалов на основе оксидов для выращивания монокристаллов, в частности лантангаллиевого силиката

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности, к монокристаллам для иттербиевых лазеров с длиной волны около 1,064 мкм, перестраиваемых в диапазоне 1-1,08 мкм с диодной накачкой, и для получения лазерной генерации в режиме сверхкоротких импульсов

Изобретение относится к новому способу получения сложного оксида состава Y2Be2SiO7, который может быть использован в качестве кристаллической среды для лазерных кристаллов

Наверх