ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРУПНОРАЗМЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ ОРТОФОСФАТОВ АЛЮМИНИЯ ИЛИ ГАЛЛИЯ Российский патент 2002 года по МПК C30B7/10 C30B29/14 

Описание патента на изобретение RU2186884C2

Изобретение относится к технологии выращивания металлортофосфатов, в частности AlPO4 и GaPO4, - структурных аналогов известного пьезоэлектрика L-кварца, с большими, чем у кварца, пьезоэлектрическими константами и высокой термостабильностью резонансных частот пьезоэлементов, которые могут быть использованы в пьезотехнике, а именно в резонаторах и фильтрах различного назначения.

Известен способ получения крупных кристаллов ортофосфатов металлов с использованием кристаллической затравочной пластины (пат. США 5377615, МКИ: С 30 В 29/14, приоритет от 22.05.92 г.), по которому крупноразмерные кристаллы AlPO4 и GaPO4 получают за счет увеличения размера затравок до желаемого путем скрепления малых затравок на подложке и выращивания уже на них из питательного раствора монокристаллов. Недостатком данного способа является сложность проведения процесса синтеза из-за необходимости высокой точности ориентации торцов соединяемых в затравку пластин, возможность существования синтетически произведенных кристаллов AlPO4 и GaPO4.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является гидротермальный способ выращивания больших кристаллов или кристаллических слоев металлортофосфатов, в частности AlPO4 и GaPO4 (пат. США 5375556, МКИ C 30 B 7/10, приоритет 23.08.93), по которому крупные кристаллы получают осаждением первичного слоя ортофосфата металла на кварцевую пластину базисной ориентации из питательного (2-15)М фосфорнокислого раствора, насыщенного ионами соответствующих металлов с добавлением ионов фтора, стимулирующих рост монокристаллических слоев, при увеличении температуры синтеза, с постоянным температурным перепадом, изготовление из этого слоя затравочной пластины и наращивание на нее путем перекристаллизации шихты из питательных растворов (H3PO4, H2SO4) кристаллов для практических целей. Однако указанный способ не обеспечивает бездеффектность наросшего слоя на кварцевую затравку, из которого изготовляются затравочные пластины для наращивания на них крупноразмерных кристаллов. А отсюда следует снижение качества получаемых монокристаллов для практических целей.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение крупноразмерных кристаллов ортофосфатов металлов алюминия или галлия, свободных от дефектов, с целью получения ценного сырья для использования в качестве рабочего элемента в пьезотехнике.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в гидротермальном способе выращивания крупноразмерных кристаллов ортофосфатов металлов алюминия или галлия, включающем эпитаксию на кварцевую затравку базисной ориентации из насыщенного ионами соответствующих металлов фосфорнокислого раствора в присутствии добавок, при повышении температуры синтеза и постоянном температурном перепаде, изготовление из полученного слоя ортофосфата металла затравочной пластины и перекристаллизацию на нее шихты из сернокислых, фосфорнокислых или их смеси растворов при постоянном температурном перепаде, в качестве добавки при эпитаксии на кварц в раствор ортофосфорной кислоты вводят ионы Li+ в количестве 0,05-10,0 вес.%.

Введение на первой стадии - эпитаксии на кварцевую затравку - в раствор ортофоcфорной кислоты ионов Li+ облегчает образование первого кристаллического слоя металлортофосфатов (AlPO4 и GaPO4) на кварцевую затравку. Ионы Li+, обладая избыточным положительным зарядом с небольшим ионным радиусом, при введении в раствор образуют прочные связи с отрицательно заряженными сетками данных кристаллов, что уменьшает вероятность отрыва адсорбционной примеси и приводит к встраиванию на освободившиеся места собственных частиц кристалла. Необходимое количество вводимых в раствор ионов Li+ выбрано в диапазоне 0,05-10,0 вес. % опытным путем. При этой концентрации ионов Li+ достигается высокая скорость роста граней (0001) и однородность полученного материала. При эпитаксии ортофоcфатов алюминия или галлия на кварц из раствора ортофосфорной кислоты с содержанием в нем ионов Li+ менее 0,05 вес.% или более 10,0 вес. % наблюдается многоглавый рост, грань пинакоида становится морфологически неустойчивой и невозможно получить качественный наросший слой ортофофосфатов металлов алюминия или галлия, из которых получают необходимого размера затравки для дальнейшего наращивания на них качественных крупноразмерных ортофоcфатов алюминия или галлия.

Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Вертикальный автоклав, разделенный перфорированной перегородкой на две части, емкостью 1 л заливают предварительно приготовленным 8,7М раствором H3PO4 насыщенным ионами Al3+. Коэффициент заполнения автоклава 0,9. В указанный питательный раствор H3PO4 вводят добавку ионов Li+ в виде растворимого соединения Li(OH). Концентрация ионов Li+ в растворе 0,05-10,0 вес. %. В нижнюю часть автоклава помещают кварцевую затравку базисной ориентации. Автоклав герметизируют и помещают в печь, проводят процесс эпитаксии на кварцевую затравку при медленном подъеме температуры от 155 до 240oС в камере растворения и постоянном температурном перепаде 10oС. После этого автоклав открывают. На кварцевых затравках получают качественный бездефектный слой ортофосфата алюминия, который затем используют в качестве затравки. Проводят второй этап. Автоклав заливают 6М раствором H2SO4. Коэффициент заливки 0,9. В верхнюю часть автоклава помещают шихту AlPO4, а в нижнюю - затравки, вырезанные из монокристаллических слоев AlPO4. Автоклав герметизируют, помещают в печь для нагрева, проводят процесс перекристаллизации шихты на затравку при температуре 240oС и температурном перепаде 10oС. Получают крупноразмерные качественные монокристаллы берлинита AlPO4, используемые как сырье для пьезотехники.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но второй этап - выращивание монокристаллов на предварительно полученную затравочную пластину путем перекристаллизации шихты - ведут из 8,7М раствора H3PO4 при температуре кристаллизации 175oС и температурном перепаде 10oС. Получают крупноразмерный качественный монокристалл берлинита AlPO4.

Пример 3. То же, что и в примере 1, но в качестве гидротермального раствора на втором этапе при выращивании монокристаллов используют смесь растворов H3PO4 и H2SO4 в соотношении 1:7, а саму смесь растворов берут концентрации 6М. Получают качественный крупноразмерный монокристалл берлинита AlPO4 для пьезотехники.

Пример 4. То же, что и в примере 1, но эпитаксию на кварц проводят из питательного 12М раствора H3РО4, насыщенного ионами галлия, с добавкой ионов Li+. В результате получают наросший слой GaPO, из которого вырезают затравки GaPO4, используемые для синтеза на них монокристаллов перекристаллизацией шихты в гидротермальных условиях. Получают высококачественный крупноразмерный монокристалл GaРО4 для пьезотехники.

Результаты опытов, проведенных с изменением содержания в питательном растворе ортофосфорной кислоты при эпитаксии ионов Li+, сведены в таблицу.

Использование данного способа синтеза ортофосфатов металлов алюминия и галлия позволяет получить достаточно крупные кристаллы, свободные от дефектов, свойства которых делают ортофосфаты ценным минеральным сырьем для использования их в качестве рабочего элемента в приборах на ПАВ и ОАВ, такие как резонаторы, линии задержки, фильтры и др.

Похожие патенты RU2186884C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ЦИНКИТА 2001
  • Кортунова Е.В.
  • Шванский П.П.
  • Дороговин Б.А.
  • Николаева Н.Г.
  • Лютин В.И.
  • Хаджи В.Е.
RU2198250C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КВАРЦА 2001
  • Дороговин Б.А.
  • Хаджи В.Е.
  • Гордиенко Л.А.
  • Шванский П.П.
  • Белименко Ф.А.
RU2180368C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КВАРЦА 1996
  • Дороговин Б.А.
  • Верин В.И.
  • Сопелева Е.Г.
  • Муханова Н.Г.
  • Мареева Т.В.
RU2120502C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОПТИЧЕСКОГО КАЛЬЦИТА 2001
  • Нефедова И.В.
  • Бородин В.Л.
  • Лютин В.И.
  • Шванский П.П.
  • Дороговин Б.А.
RU2194806C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПАЛОВИДНОГО КВАРЦА 1994
  • Хаджи В.Е.
  • Дикк Е.В.
RU2064979C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ СИНТЕТИЧЕСКОГО КВАРЦА 2001
  • Гордиенко Л.А.
  • Дороговин Б.А.
  • Орлов О.М.
  • Полянский Е.В.
  • Цинобер Л.И.
  • Шванский П.П.
RU2186885C1
МОНОКРИСТАЛЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКОВ В УСТРОЙСТВАХ НА ПОВЕРХНОСТНО-АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2000
  • Дороговин Б.А.
  • Степанов С.Ю.
  • Цеглеев А.А.
  • Дубовский А.Б.
  • Филиппов И.М.
  • Курочкин В.И.
  • Лаптева Г.А.
  • Горохов В.П.
  • Степанова Т.А.
RU2172362C2
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КВАРЦА 1999
  • Дороговин Б.А.
  • Хаджи В.Е.
  • Евсеева И.Б.
  • Романов Л.Н.
  • Сопелева Е.Г.
  • Шванский П.П.
RU2181796C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКРАШЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ КВАРЦА 2000
  • Степанова Т.А.
  • Сопелева Е.Г.
  • Мареева Т.В.
  • Муханова Н.Г.
  • Марьин А.А.
  • Шишминов А.В.
RU2178019C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГАЛЛОСИЛИКАТОВ СО СТРУКТУРОЙ ГАЛЛОГЕРМАНАТА КАЛЬЦИЯ 2001
  • Дороговин Б.А.
  • Степанов С.Ю.
  • Доморощина Е.Н.
  • Цеглеев А.А.
  • Дубовский А.Б.
  • Курочкин В.И.
  • Филиппов И.М.
RU2194808C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 186 884 C2

Реферат патента 2002 года ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРУПНОРАЗМЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ ОРТОФОСФАТОВ АЛЮМИНИЯ ИЛИ ГАЛЛИЯ

Изобретение относится к технологии выращивания металлортофосфатов, в частности AlPO4 и GaPO4, которые могут быть использованы в пьезотехнике, а именно в резонаторах и фильтрах различного назначения. Изобретение позволяет получать крупноразмерные кристаллы ортофосфатов металлов, свободные от дефектов. Сущность изобретения: способ включает эпитаксию на кварцевую затравку базисной ориентации из насыщенного ионами соответствующих металлов фосфорнокислого раствора в присутствии добавки Li+ в количестве 0,05-10,0 вес. %, при повышении температуры и постоянном температурном перепаде, изготовление из полученного слоя затравочной пластины и перекристаллизацию на нее соответствующей получаемому кристаллу шихты из сернокислых, фосфорнокислых или их смеси растворов при постоянном температурном перепаде. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 186 884 C2

Гидротермальный способ выращивания крупноразмерных кристаллов ортофосфатов алюминия или галлия, включающий эпитаксию на кварцевую затравку базисной ориентации из насыщенного ионами соответствующих металлов фосфорнокислого раствора в присутствии добавок при повышении температуры синтеза и постоянном температурном перепаде, изготовление из полученного слоя затравочной пластины и перекристаллизацию на нее соответствующей получаемому кристаллу шихты из сернокислых, фосфорнокислых или их смеси растворов при постоянном температурном перепаде, отличающийся тем, что в качестве добавки при эпитаксии на кварцевую затравку в раствор ортофосфорной кислоты вводят ионы Li+ в количестве 0,05-10,0 вес.%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2002 года RU2186884C2

US 5375556 А, 27.12.1994
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОРТОФОСФАТА ГАЛЛИЯ 1992
  • Зверева О.В.
  • Мининзон Ю.М.
  • Демьянец Л.Н.
RU2019583C1
Видоизменение прибора для получения стереоскопических впечатлений от двух изображений различного масштаба 1919
  • Кауфман А.К.
SU54A1
US 4559208 А1, 17.12.1985
СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДВУМЕРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ RPLC-SFC 2015
  • Аль-Саях Мохаммад
  • Венкатрамани Кадапакам
RU2678921C2

RU 2 186 884 C2

Авторы

Мотчаный А.И.

Шванский П.П.

Дороговин Б.А.

Даты

2002-08-10Публикация

2000-10-06Подача