Способ получения оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната

Авторы патента:

C30B33/02 - термообработка (C30B 33/04,C30B 33/06 имеют преимущество)

C30B29/28 - с формулой A₃Me₅O₁₂, где A - редкоземельный металл, а Me - Fe, Ga, Sc, Cr, Co или Al, например гранаты

C30B15/04 - с добавлением легирующего материала, например для n-р переходов

Владельцы патента RU 2328561:

Закрытое акционерное общество "НИИ материаловедения" (RU)

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов гранатов и может быть использовано в лазерной технике, магнитной микроэлектронике (полупроводники, сегнетоэлектрики) и для ювелирных целей. Монокристаллы тербий-галлиевого граната получают методом Чохральского путем расплавления исходной шихты, включающей просветляющую кальцийсодержащую добавку, и последующего выращивания монокристалла из расплава на затравку. В качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, в качестве кальцийсодержащей добавки - оксид или карбонат кальция, а после выращивания осуществляют отжиг кристалла в атмосфере водорода при 850-950°С в течение около 5 часов до исчезновения оранжевой окраски. Изобретение позволяет получать оптически прозрачные однородные кристаллы с коэффициентом поглощения 0,5·10^-3 см^-1.

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов и может быть использовано при выращивании монокристаллов гранатов, более конкретно монокристаллов тербий-галлиевого граната, применяющихся, например, в лазерной технике, магнитной микроэлектронике, для ювелирных целей.

Из заявки Российской Федерации №94008750, приоритет 27.04.1996, известны окрашенные монокристаллы, в частности, окрашенные монокристаллы тербий-галлиевого граната. Окрашенные монокристаллы со структурой граната выращивали по методу Чохральского в иридиевом или платиновом тигле (если в составе граната доминируют ниобий и кальций). Для монокристаллов на основе кальций-ниобий-галлиевого граната оптимальными являются следующие условия роста: скорость вытягивания 2-5 мм/ч, скорость вращения 60-80 об/мин, скорость потока кислорода через реакционный объем 0,5-2 л/мин, отношение диаметра кристалла к диаметру тигля не более 0,6. Выращенные кристаллы имели диаметр до 80 мм, причем из расплава переходило в кристалл до 75 вещества.

Выращенные монокристаллы подвергали одному из типов обработки: облучали рентгеновскими лучами; отжигали в вакууме при температуре до 800-2000К в течение 0,5-10 час с последующим снижением температуры со скоростью 500 К/час; отжигали в инертной атмосфере в течение 0,5-40 час при температуре не выше 1900К, отжигали на воздухе при температуре до 1600К.

Известные монокристаллы получены с использованием введения в окрашенный монокристалл дополнительной примеси Me, валентность ионов которой отличается от валентности ионов окрашивающей примеси М и/или матрицы монокристалла А, что приводит к ряду физических эффектов, влияющих на окраску монокристалла.

Окрашенные монокристаллы получали различными известными методами, например методом Багдасарова, методом Чохральского. Получение монокристаллов тербий-галлиевого граната в опубликованной заявке не описано.

Из заявки Российской Федерации № 94008773, приоритет 27.04.1996, известен бесцветный синтетический монокристалл, в том числе и со структурой граната, в частности, матрица монокристалла может быть выполнена на основе тербий-галлиевого граната (матрица) и при этом дополнительно содержать в качестве просветляющей примеси неодим, никели и/или кобальт, причем содержание просветляющей примеси составляет от 10^-8 до 10^-2 мас.% и может плюс к этому дополнительно содержать дополнительные просветляющие примеси (кальций, стронций и/или магний), причем содержание дополнительной просветляющей примеси составляет от 10^-8 до 10^-2 мас.%.

Бесцветные монокристаллы получали различными известными методами, в частности методом Багдасарова, а также методом Чохральского.

Так, в частности, бесцветные монокристаллы со структурой граната выращивали по методу Чохральского в иридиевом или платиновом тигле (если в составе граната доминируют ниобий и кальций). Для монокристаллов на основе кальций-ниобий-галлиевого граната оптимальным являются следующие условия роста: скорость вытягивания 2-5 мм/ч, скорость вращения 60-80 об/мин, скорость потока кислорода через реакционный объем 0,5-2 л/мин, отношение диаметра кристалла к диаметру тигля не более 0,6. Выращенные кристаллы имели диаметр до 80 мм, причем из расплава переходило в кристалл до 75 вещества.

Так был получен прозрачный бесцветный монокристалл на основе кальций-ниобий-галлиевого граната со следующим содержанием компонентов (в вес.): неодим 0,002; никель 0,0002; кобальт 0,0007.

Примеры на получение монокристаллов на основе тербий-галлиевого граната в известной заявке на предлагаемое изобретение отсутствуют.

Технической задачей заявленного изобретения является получение оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната (ТГГ) с бесцветной окраской и повышенной оптической прозрачностью с коэффициентом поглощения 0,5×10^-3 см^-1 для применения в лазерной технике.

Поставленная техническая задача достигается способом получения оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского путем расплавления исходной шихты, включающей просветляющую кальцийсодержащую добавку и выращивание монокристалла из расплава на затравку, причем, согласно изобретению, в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, в качестве кальцийсодержащей добавки - оксид или карбонат кальция, а после выращивания осуществляют его отжиг в атмосфере водорода при 850-950°С в течение около 5 часов до исчезновения оранжевой окраски.

Оксид кальция (СаО) или карбонат кальция (СаСО₃) вводят в расплав в количестве от 0,1 до 1,0 г один - два раза перед выращиванием кристаллов на количество шихты, равное 4-8 кг.

Ниже приводится конкретный пример осуществления способа, иллюстрирующий изобретение, но не ограничивающий его.

Пример 1. Оптически прозрачные монокристаллы тербий-галлиевого граната (ТГГ) выращивают по методу Чохральского, например, на установке «Скиф-3» или установке «Скиф-4». Гранатообразующие компоненты (матрица) предварительно просушенные (при температуре 800-1000°С, например) взвешивают на аналитических весах, перемешивают до образования гомогенной смеси.

Типичный примерный состав шихты может быть такой (в мас.%):

Оксид галлия - 45,523

Оксид тербия - 54,477

Из смеси могут прессовать таблетки. Смесь (шихту) помещают в тигель (иридиевый или платиновый), плавят, добавляют кальцийсодержащую добавку (Оксид кальция (СаО) или карбонат кальция (СаСО₃) в расплавленную шихту.

Если добавляют оксид кальция (СаО), то его добавляют в количестве 0,1 г в состав оксид галлия 45,523 мас.%, оксид тербия 54,477 мас.%. Если добавляют карбонат кальция (СаСО₃), то его добавляют в количестве до 1 г в состав оксид галлия 45,523 мас.%; оксид тербия 54,477 мас%.

Далее вытягивают ориентированные кристаллы из расплава (вытягивание кристаллов на ориентированную затравку). Выращенный монокристалл с добавкой оксида кальция (СаО) или карбоната кальция (СаСО₃) имел оранжевую окраску и полосу поглощения в диапазоне длин волн 400-659 нм. Далее осуществляют отжиг кристаллов в течение 5 часов в атмосфере водорода при 900°С. После отжига кристалл становится бесцветным и полоса поглощения исчезает. Получают оптически прозрачные монокристаллы.

Введение добавок (оксид кальция (СаО) или карбонат кальция (СаСО₃) препятствуют винтовому расту кристаллов. Их влияние на технический результат (который, как указано выше, состоит в получении оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната (ТГТ) с бесцветной окраской и повышенной оптической прозрачностью с коэффициентом поглощения 0,5×10^-3 см^-1 и для применения в лазерной технике) заключается в стабилизации процесса выращивания и препятствовании винтовому росту кристаллов.

Изделия из полученных монокристаллов - это, например, цилиндрические элементы, в частности, диаметром 20 мм и длиной 20-40 мм, или элементы, имеющие форму параллелепипеда, например 3×10×20 мм, используемые для изготовления Фарадеевских вращателей.

Основное требование по качеству для Фарадеевских вращателей - это оптическая однородность кристаллов и величина коэффициента поглощения, которые должны составлять 30-40 дБ и 0,5×10^-3 см^-1соответственно.

Пример 2. Получают ювелирный материал на основе оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната, полученных методом Чохральского аналогично примеру 1, только отжигу подвергают получаемые ювелирные изделия (в виде камней, например) при 850°С в атмосфере водорода в течение 4,8 часов.

При получении монокристаллов тербий-галлиевого граната заявленным способом используют следующие оптимальные условия роста их:

- скорость вытягивания - 2-7 мм/час;

- скорость вращении тигеля - 2-10 об/мин;

- диаметр затравки - от 2 мм до 8 мм.

Выращивание кристаллов осуществляют в инертной атмосфере (например, в атмосфере азота) с добавкой кислорода.

Выращенные кристаллы имеют диаметр до 80 мм, вес (масса) их - 4-8 кг, время роста кристаллов- 20-40 часов, плотность кристаллов ≈7,2 г/см³.

Способ получения оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского путем расплавления исходной шихты, включающей просветляющую кальцийсодержащую добавку и выращивание монокристалла из расплава на затравку, отличающийся тем, что в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, в качестве кальцийсодержащей добавки - оксид или карбонат кальция, а после выращивания осуществляют его отжиг в атмосфере водорода при 850-950°С в течение около 5 ч до исчезновения оранжевой окраски.

Изобретение относится к технологии получения сверхтвердого монокристаллического алмаза. .

Способ получения атомно-гладкой поверхности подложки арсенида галлия // 2319798

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к способам приготовления атомно-гладких поверхностей полупроводников. .

Способ окрашивания фианитов // 2296825

Изобретение относится к области обработки синтетических, тугоплавких ограненных кристаллов, в частности фианитов (кристаллов на основе диоксида циркония и/или гафния, стабилизированных оксидом иттрия).

Способ обработки алмазов // 2293148

Изобретение относится к области обработки драгоценных камней, в частности алмазов, и может найти применение в ювелирной промышленности. .

Способ термообработки монокристаллов лантангаллиевого силиката // 2287621

Изобретение относится к технологии получения кристаллов с триклинной сингонией. .

Способ обработки окрашенных алмазов и бриллиантов для обесцвечивания и снятия напряжений // 2281350

Изобретение относится к области обработки алмазов и бриллиантов высокими давлениями при высокой температуре и может быть использовано на предприятиях, обрабатывающих алмазы, для обесцвечивания и ослабления напряжений в кристаллах.

Способ выращивания монокристаллов германия // 2261295

Изобретение относится к способам выращивания из расплава монокристаллов германия. .

Ювелирный материал - синтетический поликристаллический корунд "мариит" и способ получения изделий из ювелирного материала - синтетического поликристаллического корунда // 2253706

Изобретение относится к технологии ювелирного производства, точнее к способам получения цветных ювелирных вставок, а также вставок с применением ювелирных эмалей, и предназначено для использования в ювелирной промышленности тиражом.

Способ получения монокристалла вольфрамата // 2241081

Способ получения оптических материалов из халькогенидов цинка и кадмия // 2240386

Изобретение относится к технологии получения халькогенидов цинка и кадмия, пригодных для изготовления оптических деталей, прозрачных в широкой области спектра. .

Способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната // 2328560

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в электронной, химической промышленности, в ювелирном деле. .

Серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов // 2324018

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра. .

Способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов // 2321689

Способ выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов // 2320789

Изобретение относится к технологии высокотемпературной кристаллизации из расплава и может быть применено для получения особо крупных монокристаллов тугоплавких оксидов.

Способ получения мелкокристаллического нелегированного и легированного иттрий-алюминиевого граната // 2137867

Изобретение относится к синтезу неорганических металлов и используется для получения шихты для выращивания монокристаллов ИАГ, применяемых в качестве активных сред в твердотельных лазерах, а такие при изготовлении высокотемпературной керамики.

Порошок комплексного оксида металла, порошок иттрий- алюминиевого граната (варианты) и способ получения порошка комплексного оксида металла // 2137715

Изобретение относится к порошку комплексного оксида металла, содержащему по крайней мере два металлических элемента, который используют в качестве исходного порошка оксидной керамики, которую используют в качестве функционального материала для конструктивного материала, который используют в диспергированном состоянии в качестве наполнителя или пигмента, или который используют в качестве исходного порошка для получения монокристалла или покрытия, нанесенного методом пламенного распыления, и к способу его получения.

Способ окрашивания вставок из ювелирных камней на основе оксидных кристаллов // 2081949

Изобретение относится к технологии тонкой обработки природных и синтетических ювелирных камней, а именно - к технологии окраски бесцветных вставок из ювелирных камней на основе оксидных материалов.

Материал, стойкий к потокам -квантов // 2072005

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, радиационной физике твердого тела и может быть использовано при конструировании элементов памяти и логики на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), применяющихся в полях g-излучений.

Шихта для выращивания иттрий-алюминиевого граната // 2061341

Эпитаксиальная феррит-гранатовая структура // 2061112

Изобретение относится к монокристаллическим материалам, в частности к эпитаксиальным феррит-гранатовым структурам (ЭФГС) на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ), и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных планарных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ).