Способ выращивания объемных монокристаллов александрита

Изобретение относится к технологии получения объемных кристаллов александрита, которые могут быть использованы в качестве высококачественного сырья для изготовления оптических элементов лазерных систем. Способ включает растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла, при этом исходная шихта содержит 40 мас.% алюмината бериллия с добавкой оксида хрома в количестве до 1 мас.% и 60 мас.% растворителя, состоящего из 95-98 мас.% оксида свинца и 2-5 мас.% оксида бора, а выращивание ведут при температуре 1250°С, осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/сек. Изобретение обеспечивает получение объемных монокристаллов александрита оптического качества с низкой плотностью дислокации. 2 пр.

 

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения объемных монокристаллов александрита, и может быть использовано для получения высококачественного сырья для изготовления оптических элементов лазерных систем.

Известен способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, включающий расплавление исходной шихты из оксидов бериллия и алюминия и выращивание кристалла при постоянной температуре, близкой к температуре фазового перехода (1853°С), причем в качестве исходной используют шихту со стехиометрическим по отношению к BeO·Al2O3 составом, а выращивание кристалла α-модификации производят методом горизонтальной направленной кристаллизации (Гуров В.В., Цветков Е.Г. «Исследование высокотемпературного полиморфного перехода в хризоберилле», Неорганические материалы, 1998, т.34, №7, стр.864-866).

Использование шихты стехиометрического по отношению к BeO·Al2O3 состава позволяет выращивать объемные монокристаллы хризоберилла с достаточно высокой линейной скоростью кристаллизации.

Однако по данному способу очень сложно вырастить объемный монокристалл, что объясняется следующим: равновесная кристаллизация стехиометрического расплава начинается с образования при 1870°С высокотемпературной модификации с плотностью около 2,7 г/см3, а при снижении температуры кристалла до 1853°С происходит переход высокотемпературной β-модификации кристалла в низкотемпературную α-модификацию, имеющую орторомбическую структуру и плотность 3,7 г/см3, что приводит к растрескиванию кристалла и образованию мелкокристаллического агрегата.

Известен способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, описанный в патенте РФ на изобретение №2315134 «Способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей», заявленный 2006.06.05, опубликованный 2008.01.20 и выбранный в качестве прототипа, включающий растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла.

Данный способ обеспечивает выращивание объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей в условиях гарантированного затравливания единичного объемного монокристалла низкотемпературной фазы и последующего разращивания его в области устойчивости этой фазы с высокой массовой скоростью роста.

Данный способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей имеет следующие недостатки:

- для полного исключения самопроизвольного перехода низкотемпературной фазы в высокотемпературную в процессе роста необходимо применение высокоточного дорогостоящего оборудования для регулирования температуры из-за близости температуры процесса к температуре фазового перехода;

- из-за высокой рабочей температуры процесс можно вести только в среде инертного газа или вакууме и невозможно использовать данную методику для получения кристаллов на воздухе, что ведет к усложнению конструкции ростовой печи, увеличивая ее стоимость и усложняя обслуживание.

Это происходит за счет того, что выделяющаяся при кристаллизации кристалла теплота, нагревает слои расплава вблизи фронта кристаллизации, что создаст условия для перехода нестабильной при этой температуре низкотемпературной фазы в стабильную высокотемпературную.

Заявляемое изобретение обеспечивает решение технической задачи выращивания объемных монокристаллов александрита оптического качества при гарантированном затравливании единичного объемного монокристалла его низкотемпературной фазы.

Заявляемое техническое решение основано на впервые установленной зависимости между составом раствора и режимом выращивания объемного монокристалла александрита при контролируемом температурном перепаде.

Такая зависимость и достигаемый технический результат не могли быть предсказаны заранее на основе анализа известных из уровня техники зависимостей. Конкретные значения количественных признаков также не следуют из известных знаний и впервые установлены авторами экспериментально.

Исходная шихта содержит основные компоненты BeO, Al2O3, а также растворитель. Именно состав растворителя является сущностью предлагаемого изобретения.

Способ выращивания объемных монокристаллов александрита заключается в подготовке исходной шихты. При этом в тигель помещают алюминат бериллия с добавкой оксида хрома (до 1 мас.%), в количестве 40 мас.%. В тигель также вводят 60 мас.% растворителя - смеси оксидов свинца (95-98 мас.%) и бора (2-5 мас.%). После этого раствор нагревают до температуры 1250°С, выдерживают при этой температуре 2-4 дня, опускают затравку и производят процесс выращивания при осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/сек. При меньшем осевом градиенте невозможно достичь качественного роста вследствие возникновения зон автономного роста и ячеистой структуры роста.

Скорость вытягивания 5 мм/сутки является оптимальной, т.к. при большей скорости происходит захват питающего раствора и газовых включений, а при меньшей - снижение массовой скорости роста объемных монокристаллов.

Частота вращения 10 об/сек является оптимальной, т.е. обеспечивает качественный рост. Превышение данной величины ведет к потере стабильности формы поперечного кристалла, в то время как при меньшей частоте возникает вероятность захвата включений питающего раствора вследствие недостаточного перемешивания раствора вблизи фронта кристаллизации.

Температуру при этом поддерживают постоянной, а процесс кристаллизации идет за счет постоянного массопереноса шихты александрита из более горячей донной части тигля в зону кристаллизации - верхнюю часть, где происходит рост кристалла. При этом установлено, что введение в раствор 2-5 мас.% оксида бора в виде борной кислоты ускоряет процесс растворения компонентов александрита, создает оптимальные гидродинамические течения в тигле, что способствует отводу выделяющихся при кристаллизации растворенных газов и повышает качество кристаллов, а сам оксид бора препятствует испарению оксида свинца - основного компонента шихты).

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Пример 1. 100 г исходной шихты, состоящей из 40% александрита и 60 мас.% растворителя загружают в платиновый тигель и выдерживают при температуре 1250°С 2-4 дня для насыщения раствора. Состав александрита BeAl2O4:Cr - 25 мас.% BeO, 74,9 мас.% Al2O3 и 0,1 мас.% Cr2O3. Состав растворителя - 98 мас.% PbO и 2% B2O3. После чего монокристалличсскую затравку, которая имеет размеры 15×2×2 мм с углом наклона острия 45°, вводят в поверхность раствора при температуре 1250°С и частоте вращения 5 об/сек. В дальнейшем скорость вращения затравки не меняют и кристалл вытягивают со скоростью 3 мм/сут. За три дня кристалл разрастается до сечения 8×10 мм и через 40 суток кристалл отделяют от поверхности раствора, охлаждают со скоростью до 300°С/час. Полученный кристалл ориентирован вдоль оси [001], без учета конуса разрастания имеет длину 120 мм (сечение 8×10 мм) и пригоден для изготовления лазерного стержня.

Пример 2. 100 г исходной шихты с составом 25 мас.% BeO, 74,9 мас.% Al2O3 и 0,1 мас.% Cr2O3 и 60 мас.% растворителя - 98 мас.% PbO и 2% B2O3 загружают в платиновый тигель и выдерживают при температуре 1250°С 2-4 дня для насыщения раствора. После чего монокристаллическую затравку, которая имеет размеры 15×2×2 мм с углом наклона острия 45°, вводят в раствор при температуре 1250°С и частоте вращения 5 об/сек. В дальнейшем скорость вращения затравки не меняют и кристалл не вытягивают. За 30 дней кристалл достигает 70% площади тигля. Кристалл отделяют от остатков раствора, охлаждают со скоростью до 300°С/час. Полученный кристалл ориентирован вдоль оси [001], имеет диаметр до 40 мм, длиной до 20 мм и пригоден для изготовления лазерных элементов.

Описанные в примерах эксперименты были проведены на резистивной ростовой печи с керамическим тепловым узлом на воздухе из платинового тигля при контролируемом температурном градиенте, что достигается за счет дополнительных нагревательных элементов, расположенных в непосредственной близости сверху и снизу тигля. Регулирующая термопара была размещена непосредственно под тиглем.

Полученные в примерах кристаллы имеют оптическое качество, низкую плотность дислокации и пригодны для изготовления активных элементов лазерных систем. На всех выращенных кристаллах присутствуют гранные формы роста, фронт кристаллизации во всех примерах плоский.

Способ выращивания объемных монокристаллов александрита, включающий растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла, отличающийся тем, что используют исходную шихту, которая содержит 40 мас.% алюмината бериллия с добавкой оксида хрома до 1 мас.%, 60 мас.% растворителя - смеси оксидов свинца 95-98 мас.% и бора 2-5 мас.%, а выращивание ведут при температуре 1250°С, при осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/с.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения монокристаллов высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) типа «123», необходимых для проведения экспериментальных исследований фундаментальных свойств ВТСП, а также изготовления приборов и устройств сверхпроводниковой электроники.

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, в том числе его хромсодержащей разновидности - александрита, и может быть использовано для получения высококачественного ограночного сырья в ювелирной промышленности и для изготовления элементов квантовой электроники.

Изобретение относится к технологиям производства объемных монокристаллов и может быть использовано при управляемом раствор-расплавном выращивании кристаллов веществ, например сложных окислов.

Изобретение относится к области получения монокристаллов, в частности к способу получения раствор-расплавов для выращивания монокристаллов -ВаВ2О4 (ВВО) во флюсе. .
Изобретение относится к технологии получения монокристаллов сверхпроводниковых соединений для производства устройств сверхпроводниковой электроники. .

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов, в частности к стадии предподготовки раствор-расплавов или расплавов, т.е. .

Изобретение относится к выращиванию кристаллов. .

Изобретение относится к получению нелинейно-оптического монокристалла двойного цезий-литий бората CsLiB6O10 из раствор-расплава на затравку путем снижения температуры расплава.

Изобретение относится к получению нелинейно-оптического монокристалла трибората лития (LBO). .

Изобретение относится к нелинейно-оптическому кристаллу стронций бериллатоборату, способу выращивания нелинейно-оптических монокристаллов бериллатобората и нелинейно-оптическому устройству.

Изобретение относится к области материаловедения, а именно к получению нового сложного оксида со структурой силленита, который является перспективным материалом для различных акусто- и оптоэлектронных устройств: пьезодатчиков, фильтров и линий задержки электромагнитных сигналов, электро- и магнитооптические измерителей напряженности полей, пространственно-временных и магнитооптических модуляторов.
Изобретение относится к технологии получения монокристаллов высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) типа «123», необходимых для проведения экспериментальных исследований фундаментальных свойств ВТСП, а также изготовления приборов и устройств сверхпроводниковой электроники.

Изобретение относится к оксидным сцинтилляционным монокристаллам, предназначенным для приборов рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) и обследования просвечиванием излучением.
Изобретение относится к способу получения монокристаллов трибората цезия с нелинейно-оптическими свойствами, которые могут быть использованы в лазерной технике при изготовлении преобразователей частоты лазерного излучения.
Изобретение относится к области физической и технической акустики твердого тела и может быть использовано в радиоэлектронике, автоматизации технологических процессов, материаловедении, в частности, в области практического применения пьезоэлектрических свойств кристаллов при изготовлении из них пьезоэлектрических преобразователей для приборов ультразвукового неразрушающего контроля.

Изобретение относится к технологии получения материала на основе бората для последующего выращивания кристаллов на основе бората цезия или бората цезия-лития, которые могут быть использованы в качестве оптических устройств для преобразования длины волны, в частности генератора лазерного излучения.

Изобретение относится к способам получения ориентированных монокристаллов, применяемых в лазерной физике, акустоэлектронике, оптоэлектронике для реализации пьезоэлектрических и нелинейнооптических эффектов.

Изобретение относится к материалам на основе оксидов металлов, в частности к гомогенным поликристаллическим материалам на основе сложных оксидов. .

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, в том числе его хромсодержащей разновидности - александрита, и может быть использовано для получения высококачественного ограночного сырья в ювелирной промышленности и для изготовления элементов квантовой электроники.
Изобретение относится к области обработки синтетических, тугоплавких ограненных кристаллов, в частности фианитов (кристаллов на основе диоксида циркония и/или гафния, стабилизированных оксидом иттрия).

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в технологии получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского из-под слоя борного ангидрида под давлением инертного газа.

Изобретение относится к технологии получения объемных кристаллов александрита, которые могут быть использованы в качестве высококачественного сырья для изготовления оптических элементов лазерных систем

Наверх