Способ выращивания монокристаллов сегнетоэлектриков из раствора Советский патент 1993 года по МПК C30B7/08 C30B29/54 

со

С

Использование: для получения пьезоэлектрических, пироэлектрических, длектро- оптических кристаллов с высокими внутренними полями. Сущность изобретения: кристаллы выращивают из раствора при наложении низкочастотных колебаний. амплитуду которых изменяют по пилообразному закону, а период колебаний не превышает средних размеров доменов. Коэффициент униполярное™ полученных кристаллов увеличен на 20-40%, весовой прирост составил 1.5-2 г, а плотность дислокаций уменьшилась. 4 ил.

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов сегнетоэлект- риков из раствора и может быть использовано для получения пьезоэлектрических, пироэлектрических, электротехнических кристаллов с высокими внутренними полями.

Целью изобретения является повышение пирокоэффициента и поляризации за счет увеличения коэффициента униполярности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе выращивания монокристаллов сегнетоэлектриков из раствора при воздействии на него низкочастотных колебаний амплитуду колебаний изменяют по пилообразному закону, а период колебаний не превышает средних размеров доменов.

Известно, что скорость вхождения примеси в кристалл из кристаллизуемой жидкости во время его роста зависит от многих

факторов, в том числе и от скорости роста кристалла. Скорость роста кристалла под действием низкочастотных колебаний, амплитуда которых изменяется во времени, будет изменяться аналогично изменениям амплитуды колебаний, следовательно, будет меняться и скорость вхождения примеси в кристалл, т.е. примесь в растущий кристалл будет входить неравномерно. При изменении амплитуды накладываемых колебаний по пилообразному закону (фиг. 1) в кристалле создаются слои с градиентом вводимой примеси, т.е. концентрация примеси в слоях будет также изменяться по пилообразному закону (фиг,2). Градиент примеси в слое кристалла создает внутреннее поле, направленное вдоль градиента. Это внутреннее поле будет оказывать поляризующее действие на формирующуюся доменную структуру растущего кристалла, домены будут закрепляться в одном нзправiooсо

00

I

лении. В целом по объему кристалла суммирование однонаправленных внутренних полей отдельных слоев дают большее внутреннее поле, чем внутреннее поле, создаваемое известным способом, и унипо- лярность такого кристалла Будет выше (фиг.З). Влияние градиента примеси на формирование доменной структуры будет наиболее значительным, если размеры этого градиента (по дпиие пластинки кристалла) будут приблизительно одинаковы с характерными размерами доменов кристалла, поэтому время изменения амплитуды от минимальной до максимальной должно лежать в пределах времени роста доменой кристалла.

Заявляемым способом можно также выращивать кристаллы с необходимыми параметрами чз кристаллизуемой жидкости с примесью, концентрация которой ниже, чем концентрация примеси в известном способе, так как ее неоднородное распределение создает такую же униполярность а кристалле, как в случае однородного распределения, но с большей концентрацией примеси.

Заявляемый способ выращивания монокристаллов сегнетоэлектриков из раствора можно осуществить с помощью устройства, блок-схема которого изображена на фиг.4.

Устройство содержит кристаллизатор 1, помещенный в термостат 2, снабженной крышкой 3, с кристаллодержателем 4, жестко соединенными с вибратором 5, генератор пилообразного напряжения б, генератор низких частот 7, перемножитель О, усилитель низких частот 9, Время изменения амплитуды колебаний задается тайме- . ром 10,

Способ выращивания монокристаллов сегйетозлоктриков из раствора осуществляют следующим образом.

В кристаллизатор заливают кристаллизуемую жидкость, добавляют в ней примесь, влияющую на создание униполярности в кристалле, кристаллодержатель с затравкой помещают в жидкость, включают вибратор, предварительно задав частоту, максимальную и минимальную амплитуду колебаний и время изменении амплитуды, которое определяют путем деления среднего характерного размера домена выращиваемого кристалла на скорость роста, соответствующую заданному режиму выращивания. Затем проводят процесс выращивания кристалла.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления заявляемого способа.

П р и м е р 1. Проводилось выращивание кристаллов триглицинсульфата (ТТС) из раствора с примесью L- а-аланина в качестве добавки доя стабилизации спонтанной направленной поляризации данного кристалла. Готовили насыщенный раствор ТГС с примесью L-ct-аланина. концентрация которого в растворе была 3 мас.%. Раствор заливали в кристаллизатор объемом 1,2 дм3. В

этот раствор помещали две затравки ТГС, причем одна крепилась к кристаллодержа- телю, соединенному с вибратором, другая на неподвижный кристаллодержатель, прикрепленный к крышке кристаллизатора

(контрольный кристалл). Включали вибратор, К динамическому кристалл оде ржателю прикладывались колебания частотой И Гц, амплитуда колебаний плавно изменялась от О до 12 мм. Время изменения амплитуды

колебаний от минимальной до максимальной задавалось таймером и составляло по расчетам примерно 10 мин (так как средние размеры доменов ТГС приблизительно 20- 40 мкм, а скор ость 0,4 мм/ч). Выращено два

кристалла, один - под воздействием колебаний с меняющейся амплитудой, другой - контрольный, и статическом режиме методом снижения температуры с 28 до 26,5°С в течение 48 ч. Всего по описанной методике

было получено 6 пар кристаллов.

Для определения коэффициентов униполярности полученных кристаллов из них вырезали пластины перпендикулярно направлению полярной оси размерами

10x10x0,8 мм и на их большие плоскости после шлифовки и полировки наносили методом напыления алюминиевые электроды. Затем такие кристаллические конденсаторы включали в гистерезисный мост (модифицированная схема Сойера-Тауэра) и по петле гистерезиса определяли коэффициент уни- поляриости.

Коэффициент униполярности рассчитывали по формуле

k (S+ - S-)/(S+ + S-)l00%,

где Si- и S- - суммарные площади положительной и отрицательной компонент доменной структуры.

В результате вычислений оказалось, что

коэффициент униполярности для кристаллов ТГС с примесью L- а-аланина, выросших под воздействием колебаний с пилообразным изменением амплитуды во времени, был выше на 20-40%, чем для контрольных кристаллов. Кроме того весовой прирост исследуемых кристаллов был больше, чем у контрольных, в среднем на 1,5 г, а плотность дислокаций уменьшалась. Пйро- козффициент исследуемых кристаллов, выросших под действием колебаний с изменяющейся амплитудой, был также выше, чем у контрольных кристаллов.

П р и м е р 2. По методике, описанной в примере 1, и в таких же режимах роста были выращены кристаллы ТГС, но в качестве добавки для стабилизации направленной сложенной поляризации были взяты ионы хрома, концентрация которых в маточном растворе равнялась 0,5 мас.%. Было выращено. 3 пары кристаллов - исследуемых и контрольных. Коэффициент униполярности кристаллов, выросших под воздействием низкочастотных колебаний с пилообразным изменением во времени амплитуды, оказался на 10-30% выше, чем у контрольных кристаллов.

ПримерЗ. Выращивали кристаллы сегнетовой соли с примесью ионов меди в качестве добавки для стабилизации направленной спонтанной поляризации. Кристаллы, контрольный и исследуемый, выращивали в кристаллизаторе, описанном в примере 1. Режим роста: начальная температура 18°С, конечная 17°С, время выращивания 35 ч. Концентрация меди в маточном растворе 0,5 мас.%. Время измеQ

/ТУ1

tnat.

Я

тал

нения амплитуды колебаний от минимальной - 0 до максимальной - 10 мм составило по расчету 5 мин, частота колебаний 20 Гц. Выращено 3 пары кристаллов. Коэффициент

униполярности исследуемых кристаллов, выросших под действием низкочастотных колебаний с изменяющейся амплитудой, был на 20-30% больше, чем у контрольных кристаллов, выросших при тех же условиях

и из того же раствора, что и исследуемые кристаллы. Весовой прирост исследуемых кристаллов был более 2 г.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания монокристаллов сегнетоэлектриков из раствора позволяет повысить их пирокоэффициент и поляризацию. Формула изобретения Способ выращивания монокристаллов сегнетоэлектриков из раствора при воздействии на него низкочастотных колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения пирокоэффициента и поляризации за счет увеличения коэффициента униполярности, амплитуду колебаний

изменяют по пилообразному закону, а период колебаний не превышает средних размеров доменов.

I

/3

i i

Q

Фиг. 5

Фиг. 2

Фиг. /

t