Способ многократного использования раствора-расплава при синтезе FeBO Российский патент 2022 года по МПК C30B9/12 C30B29/10 

Описание патента на изобретение RU2769681C1

Изобретение относится к области получения высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3.

В качестве прототипа используется Патент на изобретение №2740126 от 11.01.2021 г. Ягупов С.В., Могиленец Ю.А., Снегирев Н.И., Селезнева К.А., Стругацкий М.Б., Любутин И.С., Любутина М.В. Способ выращивания монокристаллов 57FeBO3 высокого структурного совершенства.

Способ осуществляют следующим образом. Шихту, содержащую 57FeBO3 (4,9 масс. %), В2О3 (58,3 масс. %), PbO (25,0 масс. %), PbF2 (11,8 масс. %), наплавляют в платиновый тигель при 870°С. Затем тигель с расплавом последовательно накрывают перфорированной платиновой фольгой и тиглем-крышкой. Тигли упаковывают в контейнер из огнеупорного кирпича и помещают в безградиентную зону шахтной печи сопротивления. Температуру поднимают до 900-950°С за 6 часов с целью плавления компонент и выдерживают ее 20-25 часов. Затем циклически (2-3 цикла) охлаждают до 800-830°С за 20-30 мин, выдерживают при этой температуре в течение 4-6 ч, снова нагревают до 900-950°С за 20-30 мин и выдерживают 10-12 ч. После этого температуру резко снижают за 15 мин до 810-820°С и далее плавно охлаждают со скоростью 0,1-0,2°С/ч до температуры 760-790°С, после чего контейнер извлекают из печи, плавно переворачивают вокруг горизонтальной оси и возвращают обратно, обеспечивая слив раствора-расплава в тигель-крышку. Печь охлаждают до 500°С за 4-6 ч, а затем выключают, давая остыть до комнатной температуры. Тигли извлекают и раскрывают. Кристаллы, в виде гексагональных пластин, обнаруживаются на перфорированной фольге и стенках основного тигля.

Разработанный технологический режим синтеза «с переворотом» позволяет слить высокотемпературный раствор-расплав и извлечь образцы до его остывания и затвердевания. В результате такого приема минимизируется разрушающее влияние застывающего раствор-расплава на синтезированные монокристаллы. Среди синтезированных монокристаллов единичные образцы имеют структурное совершенство, требуемое для высокотехнологичных применений, а остальные кристаллы неудовлетворительного качества и/или малых размеров не находят применения. При этом в использованном раствор-расплаве остается дорогостоящий реактив 57FeBO3.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ многократного использования раствор-расплава, который остается после синтеза монокристаллов 57FeBO3 методом «с переворотом». Предложено восстанавливать исходную концентрацию кристаллообразующих компонентов в раствор-расплаве путем добавления кристаллов 57FeBO3, имеющих видимые дефекты и/или размеры менее 5 мм в поперечнике. Многократное использование раствор-расплава позволит повысить количество высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3 при ограниченном количестве 57FeBO3, что существенно удешевит процесс синтеза.

Поставленная задача решается следующим образом. Способ многократного использования раствор-расплава при синтезе 57FeBO3 включает синтез и отбор высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3; растворение кристаллов 57FeBO3 размерами менее 5 мм в поперечнике с видимыми дефектами поверхности в разогретом до 900°С раствор-расплаве; гомогенизацию путем выдержки при 900°С в течение 20 часов, снижения температуры до 800°С за 15 мин, выдержки 3 часа, нагрева до 900°С за 15 мин, выдержки в течение 30 часов, снижения температуры до 800°С за 15 мин, выдержки 3 часа, нагрева до 900°С за 15 мин, выдержки в течение 40 часов; рентгенофлуоресцентный анализ восстановленного раствор-расплава для определения параметра состояния раствор-расплава , (W(57Fe) - концентрация железа, W(Pb) - концентрация свинца в раствор-расплаве); многократное использование раствор-расплава с параметром 0,05≤n≤0,1

Отличительные признаки заявленного решения:

- отбор монокристаллов 57FeBO3, не имеющих видимых дефектов, размером не менее 5 мм в поперечнике,

- растворение кристаллов 57FeBO3, имеющих видимые дефекты и/или размеры менее 5 мм в поперечнике, в разогретом до 900°С раствор-расплаве порциями до 0,5 гр через каждые 30 мин,

- гомогенизация восстановленного раствор-расплава по заданному температурному режиму,

- многократное использование раствор-расплава, при синтезе монокристаллов 57FeBO3 методом «с переворотом» в закрытом тигле.

Способ реализуется следующим образом. После проведенной раствор-расплавной кристаллизации «с переворотом» среди синтезированных монокристаллов 57FeBO3 отбирают образцы без видимых дефектов размером не менее 5 мм в поперечнике. Остальные кристаллы растворяют в оставшемся раствор-расплаве при температуре 900°С порциями до 0,5 гр через каждые 30 мин. Полученный раствор-расплав гомогенизироуют следующим образом: выдержка при 900°С в течение 20 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 30 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 40 часов. Затем проводят РФА анализ полученного раствор-расплава для определения параметра состояния раствор-расплава, (W(57Fe) - концентрация железа, W(Pb) - концентрация свинца в раствор-расплаве). Для исходного раствор-расплава 57Fe2O3 (4,9 масс. %), B2O3 (58,3 масс. %), PbO (25,0 масс. %), PbF2 (11,8 масс. %) параметр n=0,1. Раствор-расплав с параметром n<0,05 при температурах кристаллизации 810-830°С становится ненасыщенным, для достижения насыщения раствор-расплава необходимо снизить температуру кристаллизации, но при этом повышается его вязкость, что не позволяет получать высокосовершенные монокристаллы 57FeBO3. Многократное использование раствор-расплава возможно при параметре 0,05≤n≤0,1

В результате серии ростовых экспериментов, установлена возможность многократного использования раствор-расплава, содержащего 57Fe.

Пример 1:

Шихту массой 170 г (57Fe2O3 - 4,9 мас. %, B2O3 - 58,3 мас. %, PbO - 25,0 мас. %, PbF2 - 11,8 мас. %) наплавили при 870°С в платиновый тигель объемом 90 мл, на который затем последовательно одели перфорированную платиновую фольгу и тигель-крышку. Тигли завальцевали, упаковали в контейнер из огнеупорного кирпича и поместили в ростовую печь. Температуру подняли до 900°С за 6 часов и провели гомогенизацию в течении 3 суток. После этого температуру резко понизили за 15 минут до 810°С, выдержали 2 часа и далее охлаждали со скоростью 0,2°С/час до температуры 780°С, после чего осуществили слив раствор-расплава в тигель-крышку. Затем печь охладили до 500°С за 6 часов. По окончании синтеза расплав полностью слился в тигель-крышку, а на перфорированной платиновой фольге обнаружено 8 кристаллов размером до 12 мм в поперечнике и множество мелких на стенках тигля. Суммарная масса кристаллов 57FeBO3 составила 2,95 г. Из полученных кристаллов был отобран образец (5,5×4,8×0,09 мм3) с полушириной кривой качания 13''. Остальные кристаллы использовались для восстановления раствор-расплава путем растворения их порциями до 0,5 гр в разогретом до 900°С раствор-расплаве через каждые 30 мин. Полученный раствор-расплав гомогенизировали следующим образом: выдержка при 900°С в течение 20 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 30 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 40 часов. РФА исследование восстановленного раствор-расплава показало, что контрольный параметр «=0,08. Этот раствор-расплав с параметром n=0,08 пригоден для дальнейшего синтеза высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3 (смотри Пример 2).

Пример 2:

Для второго эксперимента использовался восстановленный раствор-расплав с параметром n=0,08. Тигель с раствор-расплавом был аналогичным образом накрыт фольгой и тиглем-крышкой, завальцован и упакован в керамический контейнер, помещен в ростовую печь. При синтезе использовался тот же температурный режим. В результате получено 6 кристаллов размером от 5 до 11 мм в поперечнике и множество мелких на стенках тигля. Суммарная масса кристаллов 57FeBO3 составила 3,05 г. Из полученных кристаллов были отобраны образцы: (6,2×5,1×0,18 мм3) с полушириной кривой качания 13'' и (7,0×4,2×0,11 мм3) с полушириной кривой качания 15''. Остальные кристаллы использовались для восстановления раствор-расплава путем растворения их порциями до 0,5 гр в разогретом до 900°С раствор-расплаве через каждые 30 мин. Полученный раствор-расплав гомогенизировали следующим образом: выдержка при 900°С в течение 20 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 30 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 40 часов. РФА исследование восстановленного раствор-расплава показало, что контрольный параметр n=0,075. Этот раствор-расплав с параметром n=0,075 пригоден для дальнейшего синтеза высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3 (смотри Пример 3).

Пример 3:

Для третьего эксперимента использовался дважды восстановленный раствор-расплав с параметром n=0,075. Тигель с раствор-расплавом был подготовлен аналогично предыдущему примеру и помещен в ростовую печь. Использовался вышеупомянутый температурный режим. В результате получено 7 кристаллов размером от 5,5 до 10 мм в поперечнике и множество мелких на стенках тигля. Суммарная масса кристаллов 57FeBO3 составила 2,86 г. Из полученных кристаллов был отобран образец (8,2×5,6×0,16 мм3) с полушириной кривой качания 15''. Остальные кристаллы использовались для восстановления раствор-расплава путем растворения их порциями до 0,5 гр в разогретом до 900°С раствор-расплаве через каждые 30 мин. Полученный раствор-расплав гомогенизировали следующим образом: выдержка при 900°С в течение 20 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 30 часов, снижение температуры до 800°С за 15 мин, выдержка 3 часа, нагрев до 900°С за 15 мин, выдержка в течение 40 часов. РФА исследование восстановленного раствор-расплава показало, что контрольный параметр n=0,07. Этот раствор-расплав с параметром n=0,07 пригоден для дальнейшего синтеза высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3.

Для контроля качества монокристаллов 57FeBO3 применяется дифракционный метод кривой качания, а для контроля состояния раствор-расплава - метод рентгенофлуоресцентого анализа (РФА).

Разработанный способ позволяет многократно использовать раствор-расплав, слитый в процессе синтеза 57FeBO3 методом «с переворотом», путем восстанавления исходного содержания кристаллообразующих компонент и обеспечивает снижение стоимости получения высокосовершенных кристаллов и увеличение количества полученных кристаллов.

Похожие патенты RU2769681C1

название год авторы номер документа
Способ повторного использования раствора-расплава при синтезе бората железа 2021
  • Могиленец Юлия Александровна
  • Селезнева Кира Андреевна
  • Стругацкий Марк Борисович
  • Ягупов Сергей Владимирович
RU2771168C1
Способ выращивания монокристаллов FeBOвысокого структурного совершенства 2020
  • Ягупов Сергей Владимирович
  • Могиленец Юлия Александровна
  • Снегирёв Никита Игоревич
  • Стругацкий Марк Борисович
  • Селезнева Кира Андреевна
  • Любутин Игорь Савельевич
  • Любутина Марианна Владимировна
RU2740126C1
Способ выращивания монокристаллической пленки FeBO на диамагнитной подложке 2015
  • Ягупов Сергей Владимирович
  • Стругацкий Марк Борисович
  • Могилец Юлия Александровна
  • Селезнева Кира Андреевна
RU2616668C1
Способ выращивания кристаллов или получения сплавов флюоритовых твердых растворов ММ'F, где M = Ca, Sr, Ba; M' = Pb, Cd, x - мольная доля летучего компонента M'F (варианты) 2020
  • Каримов Денис Нуриманович
  • Бучинская Ирина Игоревна
  • Дымшиц Юрий Меерович
RU2742638C1
Способ получения термоэлектрического материала для термоэлектрических генераторных устройств на основе теллурида свинца 2016
  • Кармоков Ахмед Мацевич
  • Калмыков Рустам Мухамедович
RU2642890C2
Способ синтеза фторида бария-лантана 2022
  • Федоров Павел Павлович
  • Александров Александр Александрович
  • Шевченко Александра Георгиевна
  • Сорокин Николай Иванович
RU2808895C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕРМАНАТА ВИСМУТА BiGeO 2017
  • Бермешев Тимофей Владимирович
  • Жереб Владимир Павлович
RU2654946C1
Способ получения борсодержащего монокристалла ниобата лития 2022
  • Титов Роман Алексеевич
  • Бирюкова Ирина Викторовна
  • Палатников Михаил Николаевич
  • Сидоров Николай Васильевич
  • Кравченко Оксана Эдуардовна
  • Кадетова Александра Владимировна
RU2777116C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНАТА СВИНЦА 2008
  • Жереб Владимир Павлович
  • Корягина Татьяна Ивановна
  • Эльберг Мария Сергеевна
  • Маркосян Светлана Мушеговна
RU2381201C1
Способ получения германата висмута BiGeO 2018
  • Бермешев Тимофей Владимирович
  • Жереб Владимир Павлович
RU2687924C1

Реферат патента 2022 года Способ многократного использования раствора-расплава при синтезе FeBO

Изобретение относится к области получения высокосовершенных монокристаллов 57FeBO3. Способ многократного использования раствора-расплава при синтезе 57FeBO3 заключается в том, что после синтеза 57FeBO3 раствор-расплав сливают, среди синтезированных кристаллов отбирают высокосовершенные монокристаллы 57FeBO3 с размерами более 5 мм в поперечнике без видимых дефектов поверхности и кристаллы 57FeBO3 размерами менее 5 мм в поперечнике и с видимыми дефектами поверхности, далее восстанавливают раствор-расплав путем растворения в нем дефектных кристаллов 57FeBO3 при температуре до 900°С и гомогенизации путем выдержки при 900°С в течение 20 ч, снижения температуры до 800°С за 15 мин, выдержки 3 ч, нагрева до 900°С за 15 мин, выдержки в течение 30 ч, снижения температуры до 800°С за 15 мин, выдержки 3 ч, нагрева до 900°С за 15 мин, выдержки в течение 40 ч, затем рентгенофлуоресцентным анализом определяют концентрацию железа W(57Fe) и свинца W(Pb) в восстановленном растворе-расплаве для вычисления параметра состояния раствора-расплава и при величине параметра 0,05≤n≤0,1 многократно используют раствор-расплав как пригодный для последующего роста кристаллов 57FeBO3. Технический результат заключается в обеспечении возможности многократного использования раствора-расплава, слитого в процессе синтеза 57FeBO3 методом «с переворотом», путем восстановления исходного содержания кристаллообразующих компонентов, снижении стоимости технологии и увеличении количества полученных кристаллов. 3 пр.

Формула изобретения RU 2 769 681 C1

Способ многократного использования раствора-расплава при синтезе 57FeBO3, заключающийся в том, что после синтеза 57FeBO3 раствор-расплав сливают, среди синтезированных кристаллов отбирают высокосовершенные монокристаллы 57FeBO3 с размерами более 5 мм в поперечнике без видимых дефектов поверхности и кристаллы 57FeBO3 размерами менее 5 мм в поперечнике и с видимыми дефектами поверхности, далее восстанавливают раствор-расплав путем растворения в нем дефектных кристаллов 57FeBO3 при температуре до 900°С и гомогенизации путем выдержки при 900°С в течение 20 ч, снижения температуры до 800°С за 15 мин, выдержки 3 ч, нагрева до 900°С за 15 мин, выдержки в течение 30 ч, снижения температуры до 800°С за 15 мин, выдержки 3 ч, нагрева до 900°С за 15 мин, выдержки в течение 40 ч, затем рентгенофлуоресцентным анализом определяют концентрацию железа W(57Fe) и свинца W(Pb) в восстановленном растворе-расплаве для вычисления параметра состояния раствора-расплава и при величине параметра 0,05≤n≤0,1 многократно используют раствор-расплав как пригодный для последующего роста кристаллов 57FeBO3.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2769681C1

Способ выращивания монокристаллов FeBOвысокого структурного совершенства 2020
  • Ягупов Сергей Владимирович
  • Могиленец Юлия Александровна
  • Снегирёв Никита Игоревич
  • Стругацкий Марк Борисович
  • Селезнева Кира Андреевна
  • Любутин Игорь Савельевич
  • Любутина Марианна Владимировна
RU2740126C1
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОР-РАСПЛАВА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ β-BABO 2001
  • Кононова Н.Г.
  • Кох А.Е.
RU2195520C1
SNEGIREV N.I et al., Growth and stability of FeBo3 single crystals, Труды XVII международной конференции "Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические Материалы и Компоненты", 2018, cтр.38-39.

RU 2 769 681 C1

Авторы

Ягупов Сергей Владимирович

Могиленец Юлия Александровна

Снегирёв Никита Игоревич

Стругацкий Марк Борисович

Селезнева Кира Андреевна

Любутин Игорь Савельевич

Любутина Марианна Владимировна

Даты

2022-04-05Публикация

2021-08-09Подача