СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ СОЕДИНЕНИЯ LIINS Российский патент 2002 года по МПК C30B11/02 C30B29/46 

Описание патента на изобретение RU2189405C1

Изобретение относится к получению монокристаллических тиоиндатов щелочных металлов структуры AIBIIICVI2, в частности монокристаллов соединения LiInS2, используемого в лазерной технике в качестве преобразователя излучения.

Известен способ получения тиоиндатов щелочных металлов, включающий синтез LiInS2 путем обменной реакции с использованием эквимолярных смесей Li2СО3, In2O3 и H2S с последующей горизонтальной направленной кристаллизацией методом Бриджмена - Стокбаргера расплава, находящегося в стеклографитовой лодочке, в атмосфере гелия. Двухзонную печь перемещают относительно неподвижной эвакуированной кварцевой ампулы со скоростью 0,6 мм/ч (1).

Данным способом удалось получить небольшие 3х3х2 мм, прозрачные с желтоватым оттенком монокристаллы.

Использование кислород - углеродсодержащих соединений (Li2СО3, In2O3) для синтеза LiInS2 обуславливает наличие остаточного кислорода и углерода в шихте, что приводит при температуре плавления LiInS2 к образованию примесных фаз в виде Li2O, In2O3, SO2, СO2 и др., не позволяющих выращивать монокристаллы высокого оптического качества. Максимальные размеры кристаллов LiInS2, выращенных из индиевого растворителя, достигают 5х5х4 мм3 (2).

Наиболее близким из известных аналогов является способ получения монокристалла соединения LiInS2, включающий его синтез взаимодействием в термостойком графитовом тигле смеси элементов лития, индия и серы, взятых в стехиометрическом соотношении, и направленную кристаллизацию в эвакуированном контейнере (3). Тигель со смесью элементов помещают в эвакуированный кварцевый контейнер и нагревают от комнатной температуры до 300oС со скоростью 20oС/мин и от 300 до 915oС (до температуры, превышающей температуру плавления LiInS2) со скоростью 8oС/ч. Установлено, что температура плавления соединения LiInS2 составляет порядка 880oС. После выдержки в течение 5 ч при 915oС осуществляют направленную кристаллизацию методом снижения температуры в градиентной печи со скоростью 2oС/ч.

Данным способом выращены бесцветные прозрачные или светло-желтые кристаллы, однако их размер не превышает 5х4х4 мм. Из-за неконтролируемого роста давления паров серы в процессе синтеза печь нагревают со скоростью не выше 8oС/ч, что значительно удлиняет процесс синтеза и делает его нетехнологичным, т.к. на нагрев печи со скоростью 8oС/ч требуется около 3 суток. Вследствие миграции паров лития к стенкам контейнера в результате взаимодействия Li с SiO2 с образованием силикатов лития может трескаться поверхность контейнера. Проведение направленной кристаллизации снижением температуры в градиентной печи не обеспечивает стабильных условий на фронте кристаллизации. Изменение таких параметров, как температура расплава, температура кристалла, градиент температуры в области роста кристалла не позволяет вырастить крупные кристаллы LiInS2. Кроме того, при использовании графитового тигля возможно прилипание кристалла к стенкам тигля и его растрескивание при охлаждении до комнатной температуры.

Задачей настоящего изобретения является получение крупных кристаллов LiInS2 высокого оптического качества.

Технический результат достигается тем, что при синтезе соединения LiInS2 нагреванием в термостойком тигле, установленном в эвакуированном контейнере, смеси элементов лития, индия и серы, взятых в стехиометрическом соотношении, до температуры, превышающей температуру плавления LiInS2, в контейнере создают холодную зону, температура которой не превышает 450oС. Направленную кристаллизацию осуществляют перемещением контейнера в вертикальной градиентной зоне печи со скоростью 0,1-2 мм/ч. Затем в том же контейнере проводят отжиг выращенного кристалла в изотермических условиях. Для этого кристалл и холодная зона контейнера, на внутренних стенках которого сконденсированы летучие компоненты, нагревают до температуры, не превышающей температуру плавления LiInS2, выдерживают 10-12 ч и охлаждают до комнатной температуры. Кроме того, используют стеклографитовый термостойкий тигель с конической формой днища.

Поскольку процессы синтеза, роста и отжига проводят в одном контейнере, контакт с атмосферой исключен. Это обеспечивает отсутствие в кристалле кислородсодержащих примесей и его высокое оптическое качество. Создание в эвакуированном контейнере холодной зоны предотвращает его разрушение, т.к. давление паров серы при температуре холодной зоны, меньшей либо равной 450oС, не превышает 1 атм. Проведение направленной кристаллизации по методу Бриджмена перемещением контейнера в вертикальной градиентной зоне печи обеспечивает по сравнению с прототипом, где рост проводится по методу движущейся изотермы с Тпл LiInS2, более стабильные условия на фронте кристаллизации, в частности постоянство аксиального и радиального градиентов температуры. Скорость 0,1-2 мм/час гарантирует плоский фронт кристаллизации, безблочный рост кристалла и стехиометрию состава. Увеличение скорости роста свыше 2 мм/час приведет к захвату растущим кристаллом большого количества включений других фаз и ухудшению его качества вследствие образования разориентированных блоков и полисинтетических двойников. При скоростях выращивания менее 0,1 мм/час существенно удлиняются сроки выращивания крупных монокристаллов, что экономически не выгодно. Высокотемпературный отжиг гомогенизирует кристалл за счет диффузии нестехиометричных атомов и их трансформации в узлы решетки LiInS2. Использование стеклографитового термостойкого тигля предотвращает прилипание монокристаллов LiInS2 к стенкам тигля, что предохраняет выращенный кристалл от растрескивания при его охлаждении до комнатной температуры. Кроме того, коническая форма днища тигля обеспечивает начало кристаллизации в одной точке, что гарантированно позволяет вырастить монокристалл.

Таким образом, проведение способа в заявленной совокупности признаков позволяет получить крупные кристаллы LiInS2 диаметром до 30 мм и длиной до 50 мм, оптическое качество которых подтверждается спектром пропускания.

На чертеже представлен спектр пропускания кристалла LiInS2 толщиной 4 мм при 300 К.

Способ осуществляется следующим образом.

Для синтеза соединения LiInS2 берут элементарные Li, In и S марки ОСЧ в стехиометрическом соотношении: Li - 2.0 г, In - 33,16 г, S - 18,52 г. Взвешенные компоненты складывают в стеклографитовый тигель с конической формой днища, а тигель помещают в кварцевый контейнер.

После эвакуации до 10-5-10-6 торр кварцевый контейнер запаивают и устанавливают в двухзонную печь так, чтобы тигель находился в горячей зоне, температура которой 1100oС, а противоположный конец контейнера - в холодной зоне при температуре 450oС. Время синтеза составляет 4-5 часов. По окончании синтеза запускают механизм перемещения контейнера. По мере его продвижения со скоростью 2 мм/час через градиентную зону происходит кристаллизация расплава в тигле с конической формой днища. Когда расплав в тигле полностью закристаллизуется, температуру горячей зоны снижают, а температуру холодной зоны повышают до 850oС. В изотермических условиях происходит отжиг монокристалла в течение 10-12 часов, после чего печь выключают. Получен кристалл LiInS2 диаметром 20 мм, длиной 50 мм, оптическое качество которого подтверждено приведенным на чертеже спектром пропускания.

Использованные источники
1. Ковач С. К., Семрад Е.Е., Ворошилов Ю.Ю. Получение и основные физико-химические свойства индатов и тиоиндатов щелочных металлов. - Неорганические материалы, 1978, т. 14, 12, с. 2172 - 2176.

2. Kuriyama K. , Kato T. Blue-band emission of LiInS2 single crystals grown by the indium solution method. - J. Appl. Phys., 1993, v.32, suppl. 32-3, p.615-617.

3. Kamijon Т., Kuriyama К. Single Crystal Growth of LilnS2. - Journal of Crystal Growth, 1979, v.46, p.801-803 (прототип).

Похожие патенты RU2189405C1

название год авторы номер документа
УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ 2009
  • Коробко Александр Николаевич
  • Тихонов Виктор Иванович
RU2418109C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛАНТАНГАЛЛИЕВОГО СИЛИКАТА 1998
  • Бузанов О.А.
  • Аленков В.В.
  • Гриценко А.Б.
RU2156327C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2009
RU2456385C2
УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ОСЕВОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ВБЛИЗИ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 2007
  • Гоник Михаил Александрович
RU2357021C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА 2009
  • Тихонов Виктор Иванович
  • Коробко Александр Николаевич
RU2418108C1
СПОСОБ СИНТЕЗА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ZnGeP 2023
  • Ульянов Сергей Николаевич
  • Подзывалов Сергей Николаевич
  • Трофимов Андрей Юрьевич
  • Грибенюков Александр Иванович
RU2812421C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ СИНЕЛЬНИКОВА-ДЗИОВА 2016
  • Синельников Борис Михайлович
  • Дзиов Давид Таймуразович
RU2626637C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛАНТАНГАЛЛИЕВОГО СИЛИКАТА 1997
  • Бузанов О.А.
RU2108418C1
Способ выращивания монокристаллов CdZnTe, где 0≤x≤1, на затравку при высоком давлении инертного газа 2015
  • Быкова Светлана Викторовна
  • Голышев Владимир Дмитриевич
RU2633899C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ БРОМИДА ЛАНТАНА 2014
  • Курбакова Ольга Михайловна
  • Выпринцев Дмитрий Иванович
RU2555901C1

Реферат патента 2002 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ СОЕДИНЕНИЯ LIINS

Изобретение относится к получению монокристаллических тиоиндатов щелочных металлов структуры АIBIIICVI2, в частности монокристаллов соединения LiInS2, используемого в лазерной технике в качестве преобразователя излучения. Сущность изобретения: способ заключается в том, что монокристаллы соединения LiInS2 получают направленной кристаллизацией в эвакуированном контейнере с предварительным синтезом LiInS2 в термостойком тигле, установленном в эвакуированном контейнере. Смесь элементов лития, индия и серы, взятых в стехиометрическом соотношении, нагревают выше температуры плавления LiInS2, при этом в контейнере создают холодную зону, температура которой не превышает 450oС. Направленную кристаллизацию осуществляют перемещением контейнера в вертикальной градиентной зоне печи со скоростью 0,1-2 мм/ч. Затем в том же контейнере проводят отжиг выращенного кристалла в изотермических условиях. Для этого кристалл и холодная зона контейнера, на внутренних стенках которого сконденсированы летучие компоненты, нагревают до температуры, не превышающей температуру плавления LiInS2, выдерживают 10-12 ч и охлаждают до комнатной температуры. Предлагаемый способ позволяет получать крупные кристаллы LiInS2 высокого оптического качества диаметром 20 мм и длиной 50 мм. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 189 405 C1

1. Способ получения монокристаллов соединения LiInS2 направленной кристаллизацией в эвакуированном контейнере, включающий синтез LiInS2 нагреванием в термостойком тигле, установленном в эвакуированном контейнере, смеси элементов лития, индия и серы, взятых в стехиометрическом соотношении, выше температуры плавления соединения, отличающийся тем, что при синтезе создают в эвакуированном контейнере холодную зону, температура которой не превышает 450oС, направленную кристаллизацию осуществляют перемещением контейнера в вертикальной градиентной зоне печи со скоростью 0,1-2 мм/ч с последующим отжигом выращенного кристалла в изотермических условиях нагреванием кристалла, расположенного в холодной зоне контейнера до температуры, не превышающей температуру плавления LiInS2, выдерживает 10-12 ч и охлаждают до комнатной температуры. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют изготовленный из стеклографита термостойкий тигель с конической формой днища.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2002 года RU2189405C1

KAMIJON T
et.al
Single crystal growth of LiInS
"J
Cryst
Growth", 1979, 46, №6, 801-803
КОВАЧ С.К
и др
Получение и основные физико-химические свойства индатов и тиоиндатов щелочных металлов.-Изв
АН СССР
Неорган
материалы, 1978, 14, №12, 2172-2176
КИШ З.З
и др
Некоторые свойства монокристаллов LiInS и NaInS
Изв
АН СССР
Неорган
Материалы, 1984, 20, №5, 750-752
ГОЛОВЕЙ М.И
и др
Выращивание и свойства монокристаллов некоторых сложных халькогенидов для оптоэлектроники
Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1
конф
по росту кристаллов.-М., 1980
Расш
тез
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. 1921
  • Богач Б.И.
SU3A1
Рост из расплавов и высокотемператур
растворов
Методы, материалы.-М., 1980, 177-178.

RU 2 189 405 C1

Авторы

Исаенко Л.И.

Лобанов С.И.

Елисеев А.П.

Даты

2002-09-20Публикация

2001-01-30Подача