СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ЦИНКИТА Российский патент 2003 года по МПК C30B7/10 C30B29/16 

Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов цинкита, которые являются хорошими пьезоэлектриками, обладающими высоким коэффициентом электромеханической связи, и могут быть использованы в пьезотехнике, акустооптоэлектронике и других областях науки и техники.

Известен способ получения кристаллов оксида цинка, включающий гидротермальное выращивание кристаллов из щелочных растворов с добавлением ионов Li⁺ на затравочные пластины со срезами (0001) и предварительно выращенные из маленьких кристаллических зерен, в серебряном цилиндре, размещенном внутри сосуда, предназначенного для высокого давления ("Гидротермальное выращивание отдельных кристаллов окисла цинка" статья из журнала "Ули", 1976, 1, т. 5, с. 6-10, 64, Китай). Однако выращенные таким образом кристаллы окиси цинка имеют многочисленные дислокации, снижающие их качество, а использование в процессе роста серебряного цилиндра не обеспечивает стабилизации процесса роста из-за низких физико-механических свойств благородных металлов, а также значительно увеличивает расходы на получение таких кристаллов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является гидротермальный способ выращивания кристаллов цинкита из щелочного раствора в присутствии ионов Li⁺ на затравочные пластинки оксида цинка ZnO, вырезанные параллельно (0001) и из выращенных предварительно гидротермальных кристаллов цинкита, в автоклавах, футерованных серебряным вкладышем "плавающего" типа, с последующим охлаждением (Лобачев А.Н., Кузьмина И.П., Шалдин Ю.В., Лазаревская О.А. Окись цинка. Выращивание и некоторые физические свойства. В сб. Рост кристаллов из высокотемпературных водных растворов. - М. : Наука, 1977). Недостатком данного способа является то, что при многократном наращивании кристалла в пирамиде роста моноэдра (0001), имеющего оптимальную скорость роста, накапливаются дефекты роста, снижающие качество получаемых деловых кристаллов, а пирамида роста призмы имеющая наиболее совершенный материал, из-за низкой скорости роста имеет малый объем для практического использования. Проведение процесса синтеза кристаллов в тонкостенных (толщина стенок 0,5-1 мм) серебряных вкладышах (футеровках) из-за низкой механической прочности благородных металлов обуславливает проблемы герметизации таких футеровок и образование большого количества кристаллов спонтанного зарождения, а следовательно, и невозможность получения высококачественных кристаллов. К тому же благородные металлы слишком дорогие, что создает дополнительные расходы при синтезе.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение высококачественных кристаллов цинкита для технического использования при упрощении и удешевлении процесса их выращивания.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известном способе, включающем выращивание кристаллов цинкита в гидротермальных условиях из раствора КОН с добавлением ионов Li⁺ на ориентированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов цинкита в герметичных сосудах из коррозионно-стойкого материала, затравочные пластины вырезаются из кристаллов цинкита, выращенных предварительно на затравках, поверхность которых ориентирована параллельно граням гексагональной призмы а процесс осуществляют в футеровках из титанового сплава или никеля с толщиной стенки 10-20 мм или в автоклавах из того же материала.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что моноэдрические затравочные пластины, используемые в способе для наращивания кристалла цинкита, применяемого в технике, вырезаны из кристаллов цинкита, предварительно выращенных на затравочных пластинах, поверхность которых ориентирована параллельно грани гексагональной призмы а сам процесс синтеза кристаллов осуществляется в футеровках из титанового сплава или никеля с толщиной стенки 10-20 мм или в автоклавах из того же материала. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Использование в способе моноэдрических пластин, вырезанных из кристаллов, предварительно выращенных на затравках, ориентированных параллельно граням гексагональной призмы наросший слой которых не наследует линейные дефекты, поскольку они ориентированы в плоскости затравки, а также вследствие того, что сектор роста призмы захватывает меньшее количество примесей Fe, Al, Сu, обуславливает дополнительное уменьшение количества линейных дефектов, выходящих на поверхность моноэдрической затравки (0001), используемой для выращивания деловых кристаллов, и тем самым обеспечивает выращивание малодислокационных высококачественных кристаллов цинкита. Ведение процесса синтеза в коррозионно-стойких футеровках из титанового сплава или никеля благодаря их физико-механическим свойствам обеспечивает надежность и стабильность технологических параметров процесса в течение всего цикла, а тем самым обеспечивает высокое качество получаемых кристаллов. Оптимальная толщина стенки футеровки 10-20 мм обеспечивает герметичность реакционного объема при нагревании и охлаждении автоклава без дополнительных компенсационных устройств, способствующих образованию спонтанных паразитных кристаллов, поскольку способна выдержать разницу давлений 2-3 МПа внутри и снаружи футеровки, развиваемую во время нагревания и охлаждения автоклава. Футеровки с толщиной стенки менее 10 мм не обеспечивают ее надежной герметизации, а с толщиной более 20 мм обуславливают экономическую нецелесообразность их использования. Кроме того, осуществление процесса синтеза в автоклавах из титанового сплава или никеля дополнительно упрощает и удешевляет процесс выращивания кристаллов цинкита.

Пример конкретного выполнения.

В нижнюю часть (зону растворения) вкладыша (футеровки) из титанового сплава или никеля емкостью 2 л помещают шихту из оксида цинка марки "ОСЧ". В верхнюю часть (зону кристаллизации) подвешивают затравочные кристаллы в виде пластинок, ориентированных параллельно моноэдрическим граням (0001), которые вырезают из гидротермальных кристаллов цинкита, предварительно выращенных на затравках, поверхность которых ориентирована параллельно граням гексагональной призмы В футеровку заливают водный раствор 4 моль КОН+0,5 моль LiOH. Футеровку герметизируют и помещают в автоклав емкостью 24 л, который заливают дистиллированной водой. Автоклав герметизируют и нагревают. В режиме устанавливают температуру зоны кристаллизации 340^oС, зоны растворения 350^oС, температурный перепад 10^oС. Длительность опыта 100 суток. Затем автоклав охлаждают и извлекают полученные кристаллы. Пирамида роста моноэдра не содержит видимых дефектов. Количество дислокаций менее 50 штук на 1 см².

Использование предлагаемого способа выращивания монокристаллов цинкита по сравнению с существующим обеспечивает получение высококачественных кристаллов цинкита при удешевлении и упрощении способа синтеза.

Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов цинкита, которые являются хорошими пьезоэлектриками, обладающими высоким коэффициентом электромеханической связи, и могут быть использованы в пьезотехнике, акустооптоэлектронике и других областях науки и техники. Сущность изобретения: в способе, включающем выращивание кристаллов цинкита в гидротермальных условиях из раствора КОН с добавлением ионов Li⁺ на ориентированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов цинкита в герметичных сосудах из коррозионно-стойкого материала, затравочные пластины вырезаются из кристаллов цинкита, выращенных предварительно на затравках, поверхность которых ориентирована параллельно граням гексагональной призмы а процесс осуществляют в футеровках из титанового сплава или никеля с толщиной стенки 10-20 мм или в автоклавах из того же материала. Получают высококачественные кристаллы цинкита для технического использования при упрощении и удешевлении процесса их выращивания.

Способ выращивания кристаллов цинкита в гидротермальных условиях из раствора КОН с добавлением ионов Li⁺ на ориентированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов цинкита в герметичных сосудах из коррозионно-стойкого материала, отличающийся тем, что затравочные пластины вырезаются из кристаллов цинкита, предварительно выращенных на затравках, поверхность которых ориентирована параллельно граням гексагональной призмы а процесс осуществляют в футеровках из титанового сплава или никеля с толщиной стенок 10-20 мм или в автоклавах из того же материала.