Способ получения оптически прозрачных монокристаллов граната


 


Владельцы патента RU 2560356:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) (RU)

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тербий-скандий-алюминиевого граната и может быть использовано в магнитной микроэлектронике для сцинтилляторной и лазерной техники, в частности для создания изоляторов Фарадея для лазерного излучения высокой средней по времени мощности и высокой энергии в импульсе. Монокристаллы граната получают методом Чохральского путем расплавления исходной шихты, включающей кальцийсодержащую добавку, в качестве которой используют оксид или карбонат кальция, и выращивания монокристалла из расплава на ориентированную затравку диаметром 2-8 мм при скорости вращения кристалла 2-10 об/мин с последующим его отжигом в атмосфере водорода при 850-950°C порядка 5 ч до исчезновения оранжевой окраски, при этом вытягивание кристаллов на ориентированную затравку осуществляют со скоростью 0,5-2 мм/ч, а в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия, скандия и алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид тербия - 65,85-66,98, оксид алюминия - 17,96-23,14, оксид скандия - 9,88-16,19. После выращивания осуществляют отжиг кристалла в атмосфере водорода при 850-950°C в течение порядка 5 ч до исчезновения оранжевой окраски. Изобретение позволяет получать оптически прозрачные бесцветные монокристаллы граната, из которых изготавливают магнитооптические элементы диаметром более 30 мм с коэффициентом поглощения 0,8·10-3 см-1, постоянной Верде 46-48 рад/(м·Тл) на длине волны 1064 нм, порогом пробоя среды не хуже 5 Дж/см2 при 10 Гц на длине волны 1064 нм. 1 пр.

 

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов и может быть использовано при выращивании монокристаллов граната, а именно тербий-скандий-алюминиевого граната, обладающего характеристиками, необходимыми для применения, например, в магнитной микроэлектронике, в сцинтилляторной и лазерной технике, в частности для создания изоляторов Фарадея для лазерного излучения высокой средней по времени мощности и высокой энергией в импульсе.

Сейчас основной средой, применяемой для изготовления магнитооптических элементов изоляторов Фарадея, являются кристаллы тербий-галлиевого граната, однако его применение ограничено не очень высоким порогом пробоя среды (5 Дж/см2 при 10 Гц на длине волны 1064 нм), сравнительно невысокой теплопроводностью (5 Вт/(м·К)) и тем фактом, что хоть и удается вырастить монокристаллы диаметром до 80 мм, из них практически не удается получить магнитооптические элементы приемлемого оптического качества диаметром более 30 мм.

Долгое время предпринимались попытки создания кристаллических материалов, которые можно будет эффективно использовать в мощных широкоапертурных изоляторах Фарадея. Одним из перспективных материалов является тербий-алюминиевый гранат, который имеет на 20% большее по сравнению с тербий-галлиевым гранатом значение постоянной Верде и большее значение коэффициента теплопроводности, однако не удается вырастить монокристаллы приемлемого оптического качества даже диаметром, превышающим 3-4 мм.

Основное требование к качеству магнитооптических элементов для вращателей Фарадея - это оптическая однородность кристаллов (30-40 дБ), в случае вращателей Фарадея для высокой средней мощности излучения добавляется требования к величине коэффициента поглощения (0,8×10-3 см-1), постоянной Верде и коэффициенту теплопроводности (не хуже, чем у тербий-галлиевого граната: 40 рад/(м·Тл); для излучения с высокой энергией в импульсе и высокой частотой повторения импульсов, во избежание пробоя оптического элемента, налагаются дополнительные требования на диаметр кристалла и порог пробоя среды (не менее 30 мм и не хуже 5 Дж/см2 при 10 Гц на длине волны 1064 нм соответственно).

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 примеси неодим, никели и/или кобальт, причем содержание примеси составляет от 10-8 до 10-2 мас.% и может содержать дополнительные примеси (кальций, стронций и/или магний), причем содержание дополнительной 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 (для кальций-ниобий-галлиевого граната). Для монокристаллов на основе кальций-ниобий-галлиевого граната использовались 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.

Ближайшим к предлагаемому способу выращивания оптически прозрачных кристаллов граната является описанный в патенте РФ №2328561, приоритет 15.09.2006, способ получения оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната 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°C в течение 5 часов до исчезновения оранжевой окраски.

Изобретение позволяет получать оптически прозрачные достаточно однородные монокристаллы с коэффициентом поглощения 0,5·10-3 см-1 диаметром до 80 мм, однако магнитооптические элементы высокой оптической однородности - только диаметром до 30 мм. Кроме того, как уже говорилось, для кристаллов тербий-галлиевого граната характерны невысокие теплопроводность и порог пробоя среды.

Задачей, на которое направлено заявленное изобретение, является выращивание оптически прозрачных монокристаллов граната с бесцветной окраской и повышенной оптической прозрачностью, из которых возможно получить магнитооптические 3

элементы приемлемого оптического качества, а именно диаметром более 30 мм с коэффициентом поглощения 0,8×10-3 см-1, постоянной Верде в 46-48 рад/(м·Тл) на длине волны 1064 нм, порогом пробоя среды не хуже 5 Дж/см2 при 10 Гц на длине волны 1064 нм для применения в лазерной технике с большой средней мощностью излучения.

Технический эффект, заключающийся в улучшении характеристик магнитооптических элементов, использующихся в лазерной технике, обеспечивается тем, что получают оптически прозрачные монокристаллы граната методом Чохральского путем расплавления исходной шихты, включающей кальцийсодержащую добавку, в качестве которой используют оксид или карбонат кальция, и выращивания монокристалла из расплава на ориентированную затравку диаметром 2-8 мм при скорости вращения кристалла 2-10 об/мин с последующим его отжигом в атмосфере водорода при 850-950°C порядка 5 ч до исчезновения оранжевой окраски.

Новым является то, что вытягивание кристаллов на ориентированную затравку осуществляют со скоростью 0,5-2 мм/ч, а в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия, скандия и алюминия со значениями массовых долей компонентов, попадающих в диапазон между следующими граничными значениями включительно: оксид тербия - 66,98, оксид алюминия - 23,14, оксид скандия - 9,88 и оксид тербия - 65,85, оксид алюминия - 17,96, оксид скандия - 16,19.

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

Пример 1. Оптически прозрачные монокристаллы тербий-скандий-алюминиевого граната (ТСАГ) выращивают по методу Чохральского, гранатообразующие компоненты (матрица), предварительно просушенные (при температуре 800-1000°C, например), взвешивают на аналитических весах, перемешивают до образования гомогенной смеси.

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

вариант 1: оксид тербия - 66,98, оксид алюминия - 23,14, оксид скандия - 9,88;

вариант 2: оксид тербия - 65,85, оксид алюминия - 17,96, оксид скандия - 16,19.

В вариантах указаны граничные значения, любые промежуточные значения массовых долей, попадающих в диапазон указанных вариантов, тоже подходят.

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

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. При использовании оксида кальция (СаО), его добавляют в количестве 0,1 г. При использовании карбоната кальция (СаСО3), его добавляют в количестве до 1 г.

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

Введенные добавки (оксид кальция (СаО) или карбонат кальция (СаСО3)) препятствуют винтовому росту кристаллов. Их влияние на технический результат (который, как указано выше, состоит в улучшении характеристик магнитооптических элементов, использующихся в лазерной технике) заключается в стабилизации процесса выращивания и препятствовании винтовому росту кристаллов.

При получении монокристаллов тербий-скандий-алюминиевого граната заявленным способом, соответствующих озвученным требованиям, используют следующие условия роста:

- скорость вытягивания - 0,5-2 мм/час;

- скорость вращения кристалла - 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. Нарушение условий роста (например, превышение предельной скорости вытягивания, которая у кристаллов ТСАГ ниже, чем у ближайшего аналога - тербий-галлиевого граната) приводит к нарушению кристаллической структуры получающихся магнитооптических элементов, возникновению в их объеме неоднородностей, свилей, ухудшению оптических и термооптических характеристик.

Магнитооптические элементы из выращенных монокристаллов - это, например, цилиндрические элементы, в частности, диаметром 30 и более мм и длиной 20-40 мм, или элементы, имеющие форму параллелепипеда, например 3×10×30 мм, используемые для изготовления вращателей Фарадея.

Тербий-скандий-алюминиевый гранат, обладает, в отличие от более экзотических аналогов, кубической кристаллической решеткой. Термонаведенные эффекты в кристаллах с такой кристаллической решеткой имеют подробное и простое теоретическое описание. Его удается вырастить наиболее простыми традиционно и широко используемыми способами: методом Чохральского и методом «вытягивания вниз». Тербий-скандий-алюминиевый гранат обладает практически такой же постоянной Верде, как и тербий-алюминиевый гранат, - в 1,2 раза больше, чем у тербий-галлиевого граната. Тербий-скандий-алюминиевый гранат прозрачен в диапазоне длин волн 500-1400 нм. При этом порог пробоя тербий-скандий-алюминиевого граната по крайней мере не уступает аналогичной характеристике тербий-галлиевого граната. Готовые магнитооптические элементы из тербий-скандий-алюминиевого граната могут обладать диаметром более 30 мм, они отличаются низким поглощением и высокой однородностью параметров по поперечному сечению. Тербий-скандий-алюминиевый гранат является весьма перспективной и привлекательной средой, в частности, для создания мощных широкоапертурных изоляторов Фарадея.

Способ получения оптически прозрачных монокристаллов граната методом Чохральского путем расплавления исходной шихты, включающей кальцийсодержащую добавку, в качестве которой используют оксид или карбонат кальция, и выращивания монокристалла из расплава на ориентированную затравку диаметром 2-8 мм при скорости вращения кристалла 2-10 об/мин с последующим его отжигом в атмосфере водорода при 850-950°C порядка 5 ч до исчезновения оранжевой окраски, отличающийся тем, что вытягивание кристаллов на ориентированную затравку осуществляют со скоростью 0,5-2 мм/ч, а в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия, скандия и алюминия со значениями массовых долей компонентов, попадающих в диапазон между следующими граничными значениями включительно: оксид тербия - 66,98, оксид алюминия - 23,14, оксид скандия - 9,88 и оксид тербия - 65,85, оксид алюминия - 17,96, оксид скандия - 16,19.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптике и представляет собой изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности. Изолятор включает в себя последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор, при этом в его магнитной системе области, наиболее подверженные перемагничиванию, заполнены неферромагнитной средой.

Изобретение относится к отрасли оптической обработки информации и может быть использовано для управления когерентными потоками света в оптоэлектронных и магнитофонных приборах, системах отображения, хранения и передачи информации и др.

Изобретение относится к монокристаллу со структурой типа граната, который может быть использован в оптической связи и устройствах для лазерной обработки. Данный монокристалл представлен общей формулой (Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z, где 0<x<0,1; 0≤y≤0,2; 0≤z≤0,3, является прозрачным и способен ингибировать образование трещин в процессе резки.

Группа изобретений относится к производству монокристалла алюмотербиевого граната, который может быть использован в качестве фарадеевского вращателя для оптических изоляторов.

Изобретение относится к технологии получения монокристалла алюмотербиевого граната, который может быть использован в качестве вращателя плоскости поляризации (Фарадеевский вращатель) в оптике.

Изобретение относится к области магнитной микроэлектроники, в частности к прикладной магнитооптике, и может быть использовано для записи информации как в цифровом, так и в аналоговом режимах.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с большой средней мощностью от 1 до 10 кВт.

Изобретение относится к области магнитной микроэлектроники, в частности к прикладной магнитооптике, и может быть использовано для записи термомагнитооптическим способом информации как в цифровом, так и в аналоговом режимах.

Изобретение относится к технологии получения алмазов для ювелирных целей. Способ включает помещение подложки, имеющей алмазное зерно с предварительно заданным размером и предварительно заданной оптической ориентацией, в камеру для осуществления химического парофазного осаждения (CVD), подачу в камеру водорода, углеводородного газа, содержащего углерод, газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, оба из которых приспособлены для ускорения скорости роста алмаза на подложке, приложение электрического поля для образования плазмы близ подложки, приводя тем самым к поэтапному росту алмаза на подложке, завершение процесса CVD в камере, огранку и удаление нежелательного углерода из выращенного алмаза, очистку и огранку алмаза, отжигаемого при предварительно заданной температуре в течение заданного периода времени, проведение окончательной огранки алмаза, полировки и придания цвета.
Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах и лидарах, работающих в области 1,2-1,55 мкм.

Изобретение относится к ИК-оптике и может быть использовано для производства перестраиваемых твердотельных лазеров, используемых, в частности, в медицине и биологии.

Изобретение относится к технологии производства окрашенных алмазных материалов, которые могут найти применение в качестве драгоценных камней или режущих инструментов.

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) на основе гетероструктур соединений A3B5.

Изобретение может быть использовано при получении ювелирных алмазов. Способ введения NV-центров в монокристаллический CVD-алмазный материал включает следующие стадии: облучение CVD-алмазного материала, который содержит одиночный замещающий азот, для введения изолированных вакансий в концентрации по меньшей мере 0,05 ppm и самое большее 1 ppm; отжиг облученного алмаза для формирования NV-центров из по меньшей мере некоторых из дефектов одиночного замещающего азота и введенных изолированных вакансий.
Изобретение относится к улучшенному способу получения заготовок из галогенидов серебра и их твердых растворов для волоконных инфракрасных световодов, включающему нанесение на кристалл-сердцевину из галогенида серебра кристаллической оболочки из кристаллического галогенида серебра с показателем преломления, меньшим, чем у кристалла-сердцевины, и термическую обработку.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов лантангаллиевого танталата алюминия, обладающего пьезоэлектрическим эффектом, используемым для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных мощных ДМОП транзисторов, КМОП интегральных схем, ПЗС-приборов.

Изобретение относится к технологии получения цветных алмазных материалов, которые могут быть использованы в ювелирной промышленности. Монокристаллический алмазный материал, который был выращен методом CVD и имеет концентрацию одиночного замещающего азота менее 5 ppm облучают, чтобы ввести изолированные вакансии V в, по меньшей мере, часть предусмотренного CVD-алмазного материала так, чтобы общая концентрация изолированных вакансий [VT] в облученном алмазном материале была, по меньшей мере, больше (а) 0,5 ppm и (b) на 50% выше чем концентрация в ppm в предусмотренном алмазном материале, после чего проводят отжиг облученного алмазного материала для формирования цепочек вакансий из, по меньшей мере, некоторых из введенных изолированных вакансий, при температуре, по меньшей мере, 700°С и самое большее 900°С в течение периода, по меньшей мере, 2 часа, при этом стадии облучения и отжига снижают концентрацию изолированных вакансий в алмазном материале, за счет чего концентрация изолированных вакансий в облученном и отожженном алмазном материале составляет <0,3 ppm.
Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах и лидарах, работающих в области 1,2-1,55 мкм.
Наверх