Способ твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата


 


Владельцы патента RU 2413041:

Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" Научно-производственное объединение "Кристалл" (RU)

Изобретение относится к химической технологии композиционных материалов. Способ включает смешивание порошков оксидов лантана, галлия и тантала с гранулометрическим размером зерна из диапазона 1-5 мкм, последующий нагрев полученной порошкообразной смеси с регулируемой скоростью до температуры спекания и выдержку упомянутой смеси при этой температуре до завершения процесса спекания, при этом спекание порошкообразной смеси оксидов проводят в две стадии, так что на первой стадии нагрев от температуры окружающей среды до температуры спекания T1 из диапазона 1300-1350°С ведут со скоростью 120-125 град./час и выдерживают при этой температуре спекания в течение 2,5-3,0 часов с образованием промежуточных соединений с формулой LaGaO3, LaTaO4, а на второй стадии нагрев ведут от температуры спекания T1 до температуры Т2 из диапазона 1440-1450°С со скоростью 150-155 град./час и выдерживают при этой температуре в течение 3,5-4,4 часов до завершения процесса спекания с образованием стехиометрического соединения лантангаллиевого танталата La3Ga5,5Та0,5О14. Изобретение позволяет снизить температуру спекания, повысить срок службы алундовых контейнеров и возможность их многократного использования, а также упростить аппаратурное оформление процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к химической технологии композиционных материалов, а именно к способам твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов из смеси оксидов редкоземельных, рассеянных и тугоплавких металлов.

Монокристаллы из смеси оксидов металлов, содержащих оксид галлия, оксиды редкоземельных элементов, в частности лантана, оксиды редких тугоплавких металлов, в частности тантала, имеют широкое применение в качестве пьезоэлектрических материалов. Одной из основных характеристик, предъявляемых к используемым монокристаллам, является совершенство кристаллической структуры, обеспечиваемое строгим соблюдением стехиометрического соотношения компонентов.

Качество синтезированной шихты, предназначенной для выращивания указанных выше монокристаллов, определяется заданной стехиометрией, содержанием примесей и синтезированной фазы. Указанные характеристики оказывают существенное влияние на свойства выращиваемых монокристаллов.

Известны различные способы твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов на основе оксидов редкоземельных, рассеянных, тугоплавких металлов.

Так, известен способ получения шихты для выращивания монокристаллов на основе редких, рассеянных и редкоземельных металлов, а именно для выращивания лантангаллиевого ниобата. Способ заключается в твердофазном синтезе шихты, включающем смешение оксидов лантана, оксида галлия и оксида ниобия в соотношении La2O3:Ga2O3:Nb2O5=7,35:(7,77÷7,79):1 соответственно, последующий нагрев их до температуры спекания из диапазона 1410-1430°C и спекание в течение 6 часов (см. патент РФ №2160796, C30B 29/30, опубл. 2000 г.).

Недостатком известного способа является получение шихты нестехиометрического состава, усложняющей процесс корректировки состава шихты при многократном выращивании кристаллов.

Известен способ твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов на основе оксидов редкоземельных, рассеянных, тугоплавких металлов, в том числе лантангаллиевого танталата, включающий смешение исходных оксидов ростовых компонент, нагрев и спекание. Смешение исходных оксидов проводят в стехиометрическом соотношении при наложении вибрационных колебаний с частотой 50-100 Гц и амплитудой 3-5 мм, нагрев ведут со скоростью 300-350 град./час до температуры спекания, выбранной из диапазона 1460-1465°C, последующее спекание проводят в течение 6,5-8,0 час. Синтез проводят в алундовых контейнерах, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой оксида галлия (см. патент РФ №2296824, C30B 29/34, опубл. 10.04.2006 г.).

Недостатком известного способа является проблема, обусловленная, с одной стороны, необходимостью нанесения на внутреннюю поверхность алундовых контейнеров покрытия из окиси галлия для того, чтобы снизить содержание примесей в кристалле, с другой стороны, проблема обусловлена термическими условиями, а именно высокими температурами синтеза, близкими к температуре плавления исходных оксидов. В то же время требования к производительности процесса обуславливают дополнительный отрицательный фактор, влияющий на механическую прочность алундовых контейнеров, при которых осуществляют твердофазный синтез, приводящий к малому сроку службы алундовых контейнеров из-за их растрескивания вследствие механических напряжений, возникающих при охлаждении и нагреве в режиме высоких скоростей.

Более того, окись галлия из защитного слоя проникает в микротрещины и резко снижает прочность тигля.

В рамках данной заявки решается задача разработки такого способа твердофазного синтеза монокристаллов из оксидов лантана, галлия и тантала, который позволил бы снизить себестоимость получаемой шихты за счет увеличения срока службы алундовых контейнеров при одновременном сохранении стехиометрического состава. Имеется также проблема в воспроизводимом получении шихты стехиометрического состава.

Поставленная задача решается тем, что в способе твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата, включающем смешение исходных порошков оксидов лантана, галлия и тантала, нагрев полученной порошкообразной смеси до температуры спекания и выдержку упомянутой смеси при этой температуре до завершения процесса спекания, в качестве исходных порошков оксидов лантана, галлия и тантала используют порошки с гранулометрическим размером зерна 1-5 мкм, спекание порошкообразной смеси оксидов проводят в две стадии, так что на первой стадии нагрев от температуры окружающей среды до температуры спекания T1 из диапазона 1300-1350°C ведут со скоростью 120-125 град./час и выдерживают при этой температуре в течение 2,5-3,0 час с образованием промежуточных соединений с формулой LaGaO3, LaTaO4, а на второй стадии нагрев ведут от температуры спекания T1 до температуры Т2 из диапазона 1440-1450°C со скоростью 150-155 град./час и выдерживают при этой температуре в течение 3,5-4,4 часов до завершения процесса спекания.

Сущность данного способа заключается в следующем.

Реализация способа твердофазного синтеза шихты для выращивания кристаллов лантангаллиевого танталата путем проведения процесса синтеза в две стадии в заявленных термодинамических режимах приводит к получению конечного продукта через образование на первой стадии спекания промежуточных соединений состава LaGaO3, LaTaO4, что позволяет снизить температуру синтеза шихты и увеличить срок службы алундовых контейнеров.

Заявленное значение дисперсности исходных порошков оксидов лантана, галлия и тантала, температурные интервалы скорости нагрева и самой стадии спекания, а также время спекания обеспечивают прохождение синтеза лантангаллиевого танталата через образование на первой стадии промежуточных соединений с формулой LaGaO3, LaTaO4, что позволяет снизить максимальную температуру процесса спекания.

Параметры проведения первой стадии спекания обеспечивают прохождение реакции химического преобразования по всему объему материала с получением соединений LaGaO3, LaTaO4.

Заявленные термодинамические режимы проведения второй стадии спекания, а именно скорость нагрева, температура и длительность спекания позволяют получить из промежуточного материала с фазами LaGaO3, LaTaO4 заданный продукт - лантангаллиевый танталат стехиометрического состава La3Ga5.5Ta0.5O14 при более благоприятных термодинамических условиях процесса. При этом, помимо увеличения практически до 100%-ого выхода конечного продукта со структурой La3Ga5.5Ta0.5O14, существенно увеличивается срок службы алундовых контейнеров, а снижение температуры процесса синтеза в целом не требует необходимости предварительного нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность контейнеров.

Экспериментально установлено, что возможность снижения величины температурных характеристик процесса, достижение практически 100%-ного выхода фазы лантангаллиевого танталата, предотвращение появления микротрещин в алундовых контейнерах, исключение нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность тиглей возможно только при сочетании заявленной дисперсности исходных оксидов лантана, галлия и тантала, проведения синтеза в две стадии и заявленных параметров процесса спекания.

Сущность способа твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата поясняется неограничивающими примерами его реализации.

Пример.

Для получения методом твердофазного синтеза шихты, пригодной для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата, предварительно готовят 304 г исходной порошкообразной смеси. Чтобы получить требуемое количество исходной порошкообразной смеси стехиометрического состава порошков оксидов лантана, галлия и тантала в соотношении 1:1,05:0,23 соответственно, смешивают на электромагнитном вибросмесителе порошок оксида лантана - в количестве 133,3 г с размером зерна 1-2 мкм; порошок оксида галлия - в количестве 140,6 г с размером зерна 1,0-1,5 мкм и порошок оксида тантала - в количестве 30,1 г 1 с размером зерна 1-4 мкм. Полученную порошкообразную смесь заданной дисперсности засыпают в алундовый контейнер, который устанавливают в печь, и проводят нагрев до температуры T1, равной 1350°C, со скоростью 120 град./час и выдерживают при этой температуре в течение 3,0 часов. Затем проводят вторую стадию нагрева, для чего температуру T1 поднимают до температуры Т2, равной 1445°C, со скоростью нагрева 150 град./час и выдерживают при этой температуре в течение 4,4 часов до завершения процесса спекания. В результате проведения твердофазного синтеза в двухстадийном режиме в рамках указанных термодинамических режимов получают шихту в виде спеченного брикета. Фазовый состав синтезированной шихты определяют рентгенофазовым методом. Срок службы алундовых контейнеров при различных значениях заявляемых параметров составляет не менее 11 процессов, что снижает себестоимость получаемой шихты при одновременном получении стехиометрического соединения лантангаллиевого танталата.

Результаты осуществления способа синтеза шихты лантангаллиевого танталата при различных значениях заявляемых параметров представлены в таблице.

Таблица
Условия спекания смеси исходных компонентов на первой стадии. Условия спекания промежуточной фазы на второй стадии. Выход фазы La3Ga5.5Ta0.5O14, %
Скорость нагрева, град./час Температура спекания, Т1, °C Время спекания, час Скорость нагрева, град./час Температура спекания, Т2, °C Время спекания, час
1 120 1350 3 150 1445 4,4 100
2 110 1250 2,0 150 1450 3,5 95
3 130 1400 3,5 150 1450 3,5 97
4 125 1350 3,0 140 1400 4,4 97
5 120 1300 2,5 150 1450 2,5 98
6 120 1300 2,5 155 1450 4,4 100
7 125 1350 3,0 150 1440 3,5 100
8 120 1350 3,5 150 1450 5,0 100
9 125 1350 3,0 160 1460 5,0 100

Анализ представленных в таблице данных, соответствующих различным термодинамическим режимам твердофазного синтеза шихты, позволяет сделать следующий вывод:

поз.8 - непроизводительно увеличено время стадии спекания.

поз.9 - срок службы алундовых контейнеров составляет три процесса.

Кроме того, анализ сведений, предоставленных в виде табличных данных, позволяет сделать вывод о том, что проведение твердофазного синтеза шихты лантангаллиевого танталата для выращивания монокристаллов в две стадии в заявленной области скорости нагрева и температур выдержки обеспечивает как получение стехиометрического соединения лантангаллиевого танталата, так и снижение его себестоимости за счет увеличения срока службы алундовых контейнеров.

Коммерческие преимущества изобретения обеспечиваются тем, что в результате реализации двухстадийного процесса синтеза шихты с использованием мелкодисперсных порошков оксидов с размером зерна 1-5 мкм снижается себестоимость шихты стехиометрического состава.

Кроме того, заявленное изобретение позволяет получить практически 100%-ный выход синтезируемой фазы шихты стехиометрического состава для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата.

Кроме того, повышается в 3-4 раза срок службы алундовых контейнеров, исключается необходимость футеровки тиглей, за счет снижения энергоемкости упрощается аппаратурное оформление процесса.

1. Способ твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата, включающий смешивание порошков оксидов лантана, галлия и тантала, последующий нагрев полученной порошкообразной смеси с регулируемой скоростью до температуры спекания и выдержку упомянутой смеси при этой температуре до завершения процесса спекания, отличающийся тем, что в качестве порошков оксидов лантана, галлия и тантала используют порошки с гранулометрическим размером зерна из диапазона 1-5 мкм, при этом спекание порошкообразной смеси оксидов проводят в две стадии, так что на первой стадии нагрев от температуры окружающей среды до температуры спекания T1 из диапазона 1300-1350°С ведут со скоростью 120-125 град/ч и выдерживают при этой температуре спекания в течение 2,5-3,0 ч с образованием промежуточных соединений с формулой LaGaO3, LaTaO4, а на второй стадии нагрев ведут от температуры спекания T1 до температуры Т2 из диапазона 1440-1450°С со скоростью 150-155 град/ч и выдерживают при этой температуре в течение 3,5-4,4 ч до завершения процесса спекания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошки оксидов лантана, галлия и тантала смешивают в соотношении 1:1,05:0,23 соответственно.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к промышленному производству монокристаллов, полученных из расплава методом Чохральского, и может быть использовано при поляризации сегнетоэлектриков с высокой температурой Кюри, преимущественно танталата лития.

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов методом Чохральского. .

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава, используемого в нелинейной оптике. .

Изобретение относится к области выращивания оптических кристаллов, предназначенных для применения в оптоэлектронных приборах. .

Изобретение относится к производству акустоэлектронных частотно-избирательных устройств на поверхностных акустических волнах. .

Изобретение относится к области получения монокристаллов сегнетоэлектриков с сформированной доменной структурой и может быть использовано при создании и работе приборов точного позиционирования, в частности зондовых микроскопов, а также при юстировке оптических систем.

Изобретение относится к способу и устройству для выращивания монокристалла высокого качества. .

Изобретение относится к твердофазному синтезу шихты для выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений, а именно к способу твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата методом Чохральского.
Изобретение относится к новым химическим соединениям и может быть использовано в медицине, в частности к рентгенологии в качестве рентгеноконтрастного агента при рентгенологических исследованиях различных органов

Изобретение относится к области получения монокристаллов сегнетоэлектриков с доменной структурой и может быть использовано при создании устройств позиционирования, акустоэлектроники, для модификации диэлектрических, пироэлектрических и оптических свойств

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов ниобата лития с бидоменной структурой, применяемых в устройствах нанотехнологии и микромеханики

Способ включает воздействие на кристалл исходного импульсного поляризованного немонохроматического излучения коротковолнового инфракрасного диапазона для получения исходного импульсного поляризованного излучения коротковолнового инфракрасного диапазона и импульсного поляризованного излучения гармоники видимого диапазона, выделение импульсного поляризованного излучения гармоники видимого диапазона, преобразование его в электрический сигнал, получение зависимости амплитуды электрического сигнала от длины волны импульсного поляризованного монохроматического излучения второй и суммарной гармоник, определение из нее длины волны 90-градусного синхронизма, по значению которого определяют мольное содержание Li2O в монокристалле LiNbO3. В качестве монокристалла LiNbO3 выбирают монокристалл в виде плоскопараллельной пластинки с кристаллографической осью Z, расположенной в плоскости входной грани кристалла, перпендикулярной оси оптической системы. Технический результат - повышение точности определения мольной доли Li2O в монокристалле LiNbO3 при низких значениях мольной доли Li2O и расширение функциональных возможностей. 3 ил.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов лантангаллиевого танталата алюминия, обладающего пьезоэлектрическим эффектом, используемым для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах. Способ получения материала для высокотемпературного массочувствительного пьезорезонансного сенсора на основе монокристалла лантангаллиевого танталата алюминия, состав которого соответствует формуле La3Ta0,5Ga5,5-xAlxO14, где x=0,1-0,3, характеризующегося электрическим сопротивлением не менее 109 Ом при температуре 20-600°C, включает выращивание монокристалла из расплава оксидов составляющих его компонентов в атмосфере инертного газа, содержащего окислитель, и дополнительный отжиг на воздухе при температуре 1050-1150°C в течение 41-43 часов. Технический результат изобретения состоит в повышении эксплуатационных свойств, таких как электрическое сопротивление самого материала, увеличенное более чем на порядок, и расширении рабочего температурного диапазона до комнатной температуры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к области изучения структуры оксидных нелинейных диэлектрических и оптических монокристаллов и материалов на их основе различной формы и состава в широком диапазоне линейных размеров и выявления дефектов методом травления. Способ травления монокристаллов осуществляют в парах смеси, содержащей 1 об.ч. плавиковой и 2 об.ч. азотной кислот, при этом монокристаллы располагают над керамическим тиглем или пластмассовой чашкой со смесью кислот, нагреваемой от комнатной температуры до 60-70°С в течение 7-10 минут. Воздействием паров смеси выявляют доменную и дислокационную структуры на образцах. За счет снижения температуры нагрева смеси повышается безопасность и экологичность процесса. 4 ил., 3 пр.

Изобретение относится к области получения монокристаллов сегнетоэлектриков с бидоменной структурой и может быть использовано в нанотехнологии и микромеханике при создании и работе приборов точного позиционирования, в частности зондовых микроскопов, лазерных резонаторов, а также при юстировке оптических систем. Способ заключается в образовании в пластине монокристалла сегнетоэлектрика двух монодоменных областей с противоположным направлением векторов поляризации доменов и бидоменной границей и включает бесконтактное размещение пластины монокристалла сегнетоэлектрика с плоскопараллельными гранями в бескислородной среде рабочего пространства камеры установки фотонного отжига между двумя светопоглощающими экранами, при этом большие грани пластины монокристалла сегнетоэлектрика расположены параллельно продольным осям светопоглощающих экранов. Далее в камере установки фотонного отжига формируют два встречных параллельных световых потока, направленных перпендикулярно большим граням пластины монокристалла сегнетоэлектрика и продольным осям светопоглощающих экранов. При этом мощность каждого светового потока задают из условий обеспечения полного прогрева пластины монокристалла сегнетоэлектрика в диапазоне температур не менее температуры Кюри и не более температуры плавления сегнетоэлектрика. Затем осуществляют дальнейший прогрев пластины монокристалла сегнетоэлектрика при заданных условиях и ее охлаждение. В изобретении достигается технический результат, заключающийся в обеспечении формирования бидоменной структуры толщиной более 0,4 мм с заданным положением и формой границы в пластинах из монокристаллических сегнетоэлектриков, при этом сформированные пластины из монокристаллических сегнетоэлектриков с бидоменной структурой обеспечивают повышение эффективности и стабильности преобразования электрического сигнала в механические упругие деформации, чувствительности, точности за счет отсутствия механического гистерезиса, ползучести и остаточных деформаций в широком интервале рабочих температур при высокой линейности характеристики «электрическое напряжение - механическая деформация». 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технологии получения легированной бором шихты ниобата лития, которая может быть использована для выращивания оптически однородных монокристаллов ниобата лития, а также беспористой пьезоэлектрической керамики. Из фторидного ниобийсодержащего раствора осаждают гидроксид ниобия раствором аммиака, отделяют осадок гидроксида ниобия, промывают деионизированной водой и сушат до остаточной влажности 60-70%. Легирующую добавку бора в виде раствора борной кислоты смешивают с просушенным осадком гидроксида ниобия с образованием суспензии. Содержание бора в борной кислоте устанавливают с учетом обеспечения его содержания в шихте 0,05-1,5 мас. %. Раствор борной кислоты смешивают с осадком гидроксида ниобия согласно предложенному соотношению. Полученную суспензию упаривают досуха при температуре 110-140°C. Образовавшийся осадок борсодержащего гидроксида ниобия прокаливают при температуре 950-1000°C. Полученный легированный бором порошкообразный пентаоксид ниобия смешивают с карбонатом лития и подвергают термической обработке при температуре 1100-1200°C с получением шихты ниобата лития. Изобретение позволяет получать шихту ниобата лития стабильного состава в заданном диапазоне (0,05-1,5 мас. %) концентраций легирующей добавки бора при одновременном снижении потерь бора. 3 з.п. ф-лы, 4 пр.
Наверх