Способ получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров Российский патент 2021 года по МПК C30B25/00 C30B29/10 H01L35/14 

Изобретение относится к способам получения монокристаллов химическим транспортом паров.

Моносилицид кобальта CoSi представляет интерес для применения в термоэлектрических преобразователях, а также рассматривается в качестве перспективного топологического полуметалла.

Существует много способов получения CoSi в виде тонких пленок и слоев. В таком виде моносилицид кобальта пригоден для применения в определенных конструкциях термоэлектрических преобразователей. Однако в некоторых случаях предпочтительнее иметь монокристаллы. Кроме того, для ряда возможных применений CoSi в качестве материала с топологически защищенными свойствами также необходимы монокристаллы.

Монокристаллический CoSi в настоящее время получают в основном из раствора в расплаве. В качестве растворителей используют теллур, сурьму или олово. Типичные линейные размеры кристаллов 1-2 мм. Общий недостаток таких методов - загрязнение кристаллов примесью растворителя, что может существенно влиять на свойства CoSi. Кроме того, извлечение монокристаллов из растворителя требует либо центрифугирования горячего расплава, что технически сложно, либо механического извлечения из затвердевшего растворителя, что ведет к механическим повреждениям кристаллов.

Известен способ получения высокочистых монокристаллов CoSi [Kim Young, Lee Chung Hyo. Method of manufacturing CoSi-based thermoelectric material and n-typed thermoelectric material manufactured by the same. KR20140141336A] - аналог, включающий спекание порошков кобальта и кремния под давлением от 40 до 80 МПа при температуре от 800° до 1000°С. В результате такого процесса получается порошок CoSi со средним диаметром частиц 1 мкм при размере зерна в частицах 300-400 нм. Часть таких зерен представляет собой монокристаллы. Основным недостатком этого способа является малый размер монокристаллов. Также следует отметить, что извлечение монокристаллических зерен из частиц порошка технически сложно.

Известен способ получения монокристаллов химически транспортом паров в ампулах из кварцевого стекла с использованием йода в качестве транспортирующего агента [Xitong Xu, Xirui Wang, Tyler A. Cochran, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, llya Belopolski, Guangqiang Wang, Yiyuan Liu, Hung-Ju Tien, Xin Gui, Weiwei Xie, M. Zahid Hasan, Tay-Rong Chang, Shuang Jia. Crystal growth and quantum oscillations in the topological chiral semimetal CoSi. Physical Review В 100, 045104 (2019)] - прототип.В этом способе исходным материалом служит предварительно синтезированный CoSi или смесь Co+Si. Процесс проводится при следующих температурах: в горячей зоне 1100°С, в холодной зоне 900-1000°С. При этом разность температур в горячей и холодной зонах составляет 100 град. Размеры получаемых кристаллов (≈1 мм) сопоставимы с размерами монокристаллов, выращенных из раствора в расплаве, но при проведении процесса по способу прототипу отсутствуют причины для загрязнения CoSi посторонними примесями - промежуточные иодиды, участвующие в химическом транспорте, разлагаются полностью. К недостаткам способа-прототипа следует отнести большую продолжительность процесса, составляющую 10 суток. Кроме того, применение температур горячей зоны свыше 1000°С предъявляет повышенные требования к материалам ампул и нагревательных элементов печей, что усложняет процесс.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров, обеспечивающего снижение продолжительности процесса и рабочих температур без уменьшения размеров получаемых кристаллов.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров при разности температур в горячей и холодной зонах в 100 градусов, включающем химический транспорт в кварцевых ампулах с использованием йода в качестве транспортирующего агента и предварительно синтезированного CoSi в качестве исходного материала, температура в горячей зоне составляет 950-980°С.

Использование предлагаемого режима позволяет выращивать монокристаллы CoSi с максимальными линейными размерами до 2-2,5 мм за 5 суток, то есть обеспечивается не менее чем двукратное снижение продолжительности процесса. При этом температура в горячей зоне снижается, что дополнительно упрощает процесс.

На фотографии Фиг. 1 показаны монокристаллы CoSi, выращенные по предлагаемому способу (цена деления сетки 1 мм).

Достигнутый результат объясняется тем, что при выбранных температурах промежуточные иодиды, пары которых обеспечивают транспорт, более устойчивы (в сравнении со способом-прототипом). Это обеспечивает более интенсивный массоперенос.

Предлагаемые параметры процесса выбраны экспериментально. При температуре в горячей зоне выше 980°С скорость роста кристаллов падает и продолжительность процесса увеличивается. При температуре в горячей зоне ниже 950°С не образуется достаточного количества промежуточных иодидов, что также приводит к замедлению процесса роста.

Примеры приведены в таблице.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров. Процесс ведут в кварцевых ампулах при разности температур в горячей и холодной зонах в 100°С. Исходным материалом служит предварительно синтезированный CoSi, а транспортирующим агентом является йод. Температура в горячей зоне составляет 950-980°С. Изобретение обеспечивает снижение рабочих температур и продолжительности процесса до 5 суток без уменьшения размеров получаемых кристаллов (до 2-2,5 мм). 1 ил., 1 табл.

Способ получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров при разности температур в горячей и холодной зонах в 100°С, включающий химический транспорт в кварцевых ампулах с использованием йода в качестве транспортирующего агента и предварительно синтезированного CoSi в качестве исходного материала, отличающийся тем, что температура в горячей зоне составляет 950-980°С.