Способ получения шихты для выращивания монокристаллов галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция

 

Изобретение относится к химической технологии, а именно к технологии приготовления шихты для выращивания нового класса упорядоченных четырехкомпонентных соединений галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄). Сущность изобретения: в способе твердофазного синтеза проводят смешивание предварительно прошедших термообработку оксидов элементов, входящих в состав выращиваемого монокристалла Ca₃MeGa₃Si₂O₁₄, где Ме - ниобий или тантал, взятых в стехиометрическом соотношении, нагрев их и спекание этой смеси при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза соответствующих монокристаллов в течение 4 ч. Технический результат заключается в создании экономически выгодного способа получения шихты в компактном рациональном виде (в форме профилированных таблеток) для выращивания высококачественных монокристаллов галлосиликатов, используемых в пьезотехнике. 1 табл.

Изобретение относится к химической технологии, а именно к технологии приготовления шихты для выращивания нового класса упорядоченных четырехкомпонентных соединений галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Са₃Gа₂Gе₄O₁₄).

Известен способ получения шихты для выращивания монокристаллов соединений со структурой лангасита путем нагрева смеси карбонатов щелочноземельных металлов и оксидов элементов, входящих в состав выращиваемого кристалла, взятых в стехиометрическом соотношении (В.Н.Т. Chai, A.N.P. Bustamante and M.C. Chou// A new class of ordered langasite structure compounds// 2000 IEEE/EIA International Frequency Control Symposium and Exhibition, p. 163-167).

Однако использование в качестве одного из компонентов спекаемой смеси карбоната щелочноземельного металла, входящего в состав выращиваемого кристалла, требует более длительного процесса нагрева для его разложения, что в свою очередь увеличивает время проведения процесса, нарушает стехиометрический состав смеси, а следовательно, уменьшает выход конечного галлосиликата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения шихты для выращивания монокристаллов галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄) методом твердофазного синтеза путем обжига на воздухе смеси исходных компонентов: карбонатов щелочноземельных компонентов и оксидов элементов, входящих в состав выращиваемого монокристалла при температуре синтеза соответствующего монокристалла в течение 5-12 ч (Б.В. Милль, Е.Л. Белоконева, Т. Фукуда// Новые соединения со структурой Са₃Gа₂Gе₄O₁₄: A₃XУ₃Z₂O₁₄ (А=Са, Sr, Ва, Рb; X=Sb, Nb, Ta; У=Ga, Al, Fe, In; Z= Si, Ge // Журнал неорганической химии, 1998, том 43, 8, с. 1270-1277).

Недостатком данного способа является использование в качестве одного из компонентов в спекаемой смеси карбоната щелочноземельного металла, для которого необходим длительный отжиг для его разложения, что увеличивает время спекания смеси, а следовательно, делает способ приготовления шихты экономически невыгодным. Увеличение времени отжига приводит к потере легколетучего компонента, что отражается на выходе конечного выращиваемого кристалла, снижая его качество. Спекание смеси при температуре синтеза приводит к расплавлению шихты и к взаимодействию расплава со стенками тигля, что загрязняет шихту, а в свою очередь и выращиваемый кристалл, а также приводит к разрушению тиглей и невозможности получения шихты в рациональном таблетированном виде.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание экономически выгодного способа получения шихты в компактном рациональном виде (в форме профилированных таблеток) для выращивания высококачественных монокристаллов галлосиликатов, используемых в пьезотехнике.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в известном способе твердофазного синтеза шихты, включающем смешивание исходных соединений элементов, входящих в состав формулы выращиваемых монокристаллов, взятых в стехиометрическом соотношении, нагрев их и спекание, выращиваемый монокристалл имеет состав Ca₃MeGa₃Si₂O₁₄, где Ме-тантал либо ниобий, в качестве исходной смеси соединений элементов используют соответствующие оксиды, предварительно прошедшие термообработку, а спекание этой смеси проводят при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза соответствующих монокристаллов в течение 4 ч.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, в качестве исходных соединений используют только оксиды элементов, входящих в состав галлосиликатов Са₃МеGа₃Si₂O₁₄, где Me-тантал или ниобий, которые перед смешиванием подвергают термической обработке, а спекание этой смеси проводят при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза соответствующих монокристаллов в течение 4 ч.

Использование в способе только оксидов позволяет избежать нарушение стехиометрии в расплаве при последующем выращивании монокристаллов за счет уменьшения длительности процесса отжига шихты, что снижает эффект потери легколетучего компонента, а следовательно, получить высококачественные монокристаллы. Проведение термической обработки исходных оксидов также предотвращает нарушение стехиометрии расплава, а следовательно, обуславливает исключение выращивания некондиционных кристаллов. Спекание смеси при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза соответствующих монокристаллов, позволяет предотвратить расплавление шихты, а следовательно, ее взаимодействие со стенками тигля. Спекание смеси при температуре ниже указанной не позволяет получать шихту в компактном виде, а при более высокой температуре происходит ее прилипание к стенкам тигля. Спекание же смеси в течение 4 ч достаточно для получения профилированных таблеток шихты кальций-ниобий-галлиевого силиката - Ca₃NbGa₃Si₂О₁₄-CNGS (канигасита) и кальций-тантал-галлиевого силиката - Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄- CTGS (катангасита), которые позволяют при выращивании соответствующих монокристаллов проводить наплавление шихты за один прием и получать более качественные кристаллы за счет меньшего нарушения стехиометрического состава шихты. Спекание смеси менее 4 ч не дает возможности получать таблетированную шихту, обуславливающую высокое качество, а выдержка более 4 ч экономически нецелесообразна.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Исходные оксиды кальция, ниобия, галлия и кремния подвергают термической обработке, затем взвешивают в стехиометрическом соотношении и 215 г исходной смеси смешивают в полиэтиленовой банке с использованием смесителя типа "пьяной бочки", загружают в алундовый тигель, а именно в пространство между его внутренними стенками и алундовой трубкой, установленной в центральной части тигля. Диаметр алундового тигля был 60 мм, равный диаметру иридиевого тигля, из которого в дальнейшем выращивают монокристалл. Тигель устанавливают в печь и проводят спекание смеси при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза Ca₃NbGa₃Si₂О₁₄ в течение 4 ч. В результате спекания получают профилированную таблетку шихты для выращивания монокристаллов кальций - ниобий - галлиевого силиката (Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄- канигасита) с отверстием вдоль ее оси. Из синтезированной шихты выращивают монокристаллы кальций-ниобий-галлиевого силиката диаметром 1,5 дюйма. Результаты осуществления способа при разных параметрах спекания представлены в таблице. Спекание трех навесок исходной смеси оксидов, массой 215 г каждая, позволяет получить три профилированных таблетки шихты, общий вес которых даст возможность сразу наплавить полный объем иридиевого тигля, из которого в дальнейшем будет выращиваться монокристалл.

Пример 2.

То же, что и в примере 1, но в качестве исходных компонентов берут оксиды кальция, тантала, галлия и кремния, а спекание смеси оксидов проводят при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза Ca₃TaGa₃Si₂О₁₄. В результате проведенного идентичного способа получают качественную поликристаллическую шихту в таблетированном виде для выращивания монокристаллов кальций-тантал-галлиевого силиката (Са₃ТаGа₃Si₂О₁₄ - CTGS- катангасита) диаметром 1,5 дюйма.

Предложенный способ получения шихты для выращивания галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Са₃Gа₂Gе₄O₁₄), а именно канигасита и катангасита, позволяет - сократить количество предварительных операций; - получить профилированные таблетки качественной шихты необходимой массы и размеров для заполнения всего объема иридиевого тигля при выращивании из него монокристалла; - избежать нарушения стехиометрии расплава, так как синтезированные таблетки полностью используются при наплавлении их в тигель, а следовательно, получать однородные по своему составу монокристаллы для использования в пьезотехнике.

Формула изобретения

Способ получения шихты для выращивания монокристаллов галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция методом твердофазного синтеза, включающий смешивание соединений элементов, входящих в состав формулы монокристалла, взятых в стехиометрическом соотношении, нагрев их и спекание, отличающийся тем, что выращиваемый монокристалл имеет состав Ca₃MeGa₃Si₂O₁₄, где Ме-тантал либо ниобий, в качестве исходной смеси соединений используют соответствующие оксиды, предварительно прошедшие термообработку, а спекание этой смеси проводят при температуре, составляющей 92-94% от температуры синтеза соответствующих монокристаллов в течение 4 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3