Способ получения монокристаллов ортосиликата калия и свинца Советский патент 1993 года по МПК C30B15/00 C30B29/34 

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при выращивании монокристаллов ортосиликата калия и свинца K2Pb2Si20.

Целью изобретения является увеличение размеров монокристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что кристаллизацию ведут со скоростью вытягивания 0,5-0,75 мм/ч, скоростью вращения 10-20 об/мин, а охлаждение-со скоростью 20-30°С/ч, причем в загрузку дополнительно вводят окись свинца в количестве 0,2-1,0 мол.%,

Предлагаемое решение позволяет увеличить размеры качественных монокристаллов K2Pb2Si20 за счет подбора оптимальных условий их выращивания. В предлагаемом способе процесс выращивания проводили следующим образом.

Исходную шихту, находящуюся в платиновом тигле, размещают в ростовой печи установки Чохральского и нагревают до ее

расплавления, Затем приводят в соприкосновение с расплавом затравочный кристалл и начинают процесс вырамдивания. Рост ведут в направлении 001 или 100. Скорость вытягивания составляет 0,5-0,75 мм/ч, скорость вращения 10-20 об/мин, аксиальный температурный градиент 20-30 °С/см, скорость охлаждения по окончании процесса роста - 20-30 °С/ч. Перед охлаждением кристалл подвергают отжигу в течение 24 часов при 850°С. При скорости вытягивания свыше 0,75 мм/ч в кристалле наблюдаются газовые включения, при скорости вытягивания менее 0,5 мм/ч увеличиваются эн ерго- и трудозатраты без достижения дополнительного положительного эффекта. При скорости вращения свыше 20 об/мин фронт кристаллизации становится вогнутым, что приводит к захвату газовых включений в, центральной части кристалла вдоль оси роста. При скорости вращения ниже 10 об/мин фронт кристаллизации становится

00

00

ы

выпуклым в расплаве, при этом в кристалле наблюдаются газообразные включения кольцеобразной формы, ориентированные вдоль оси роста. При скорости охлаждения свыше 30°С/ч выращенные кристаллы растрескиваются, при скорости охлаждения менее 20°С/ч увеличиваются энерго- и трудозатраты без достижения дополнительного положительного эффекта. При использовании в качестве исходной шихты состава, содержащего более 1,0 и менее 0,2 мол.% избытка окиси свинца в объеме кристалла наблюдаются твердофазные включения, а на штоке и теплоотражающем экране во всех случаях - желто-оранжевый налет. Из результатов РФА следует, что он содержит преимущественно окись свинца. Следовательно, расплав ортосиликата калия и свинца испаряется инконгруэнтно, причем в составе паровой фазы преобладает окись свинца. При выращивании монокристаллов из стехиометрического состава происходит обеднение расплава окисью свинца и появление твердофазных включений. Добиться устранения твердофазных включений удается за счет добавления небольшого избытка (0,2-1,0 мол.%) окиси свинца. В этом случае в течение времени, необходимого для выращивания кристалла, изменение состава расплава не успевает превысить определенную критическую величину, после которой в объеме кристалла появляются твердофазные включения. Избыток окиси свинца свыше 1,0 мол.% также приводит к появлению твердофазиых включений.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить монокристаллы ортосиликата калия и свинца размерами 20 х20 х20 мм, не содержащие включений и трещин. Примеры конкретного выполнения. Пример 1 (прототип). Навеску стехиометрического ортосиликата калия и свинца весом 150 г размещают в платиновом тигле диаметром 50 и высотой 50 мм, нагревают до 940°С (температура плавления 918°С), после чего охлаждают расплав в режиме выключенной печи. При этом на поверхности слитка образуются отдельные монокристаллические зерна размером до мм. Пример 2. Навеску ортосиликата калия и свинца общим весом 150 г, содержащую 0,5 мол.% избытка окиси свинца РЬО размещают в платиновом тигле диаметром 50 и высотой 50 мм, который устанавливают в тепловой узел ростовой установки Донец- 1. Вещество расплавляют, после чего вводят в контакт с расплавом монокристаллическую затравку, ориентированную в направлении 001 или 100 и осуществляют процесс выращивания.

Скорость вытягивания составляет 0,65 мм/ч, скорость вращения - 15 об/мин., аксиальный температурный градиент над расплавом - 20-30°С/см. После отрыва от

расплава кристалл отжигают при 850°С в течение 24 ч, после чего охлаждают со скоростью 25°С/ч. Получены монокристаллические образцы размерами 20 х20 х20 мм, не содержащие блоков, трещин, твердофазных

0 и газовых включений.

Пример 3. Аналогично п. 2, но выращивание ведут из стехиометрического состава. Кристалл содержит твердофазные включения.

5 П р и м е р 4. Аналогично п. 2, но выращивание ведут из состава с избытком 0,2 мол.% окиси свинца. Полученные кристаллы не содержат блоков, трещин, твердофазиых и газовых включений.

0 П р и м е р 5. Аналогично п. 2, но выращивание ведут из состава с избытком 1,0 мол.% окиси свинца. Полученные кристаллы не содержат блоков трещин, твердофазных и газовых включений.

5 П р и м е р 6. Аналогично п. 2, но выращивание ведут из состава с избытком 1,2 мол.% окиси свинца. Кристалл содержит твердофазные включения.

Пример 7. Аналогично п. 2, но вытя0 гивание ведут со скоростью 0,3 мм/ч. Получены кристаллы, не содержащие трещин, блоков, твердофазных и газовых включений. Увеличиваются энерго- и трудозатраты без достижения дополнительного положитель5 ного эффекта.

Пример 8. Аналогично п. 2, но вытягивание ведут со скоростью 0,5 мм/ч. Получены кристаллы, не содержащие трещин, блоков, твердофазных и газовых включений.

0 Пример 9. Аналогично п. 2, но вытягивание ведут со скоростью 0,75 мм/ч. Получены кристаллы, не содержащие трещин, блоков, твердофазных и газовых включений. Пример 10. Аналогично п. 2, но

5 вытягивание ведут со скоростью 0,85 мм/ч. Кристаллы содержат твердофазные и газовые включения,

Пример 11. Аналогично п. 2, но скорость вращения составляет 5 об/мин. В

0 кристалле наблюдаются газовые включения кольцеобразной формы, ориентированные вдоль оси роста.

Пример 12. Аналогично п. 2, но скорость вращения составляет 10 об/мин.

5 Получены кристаллы, не содержащие трещин, блоков, твердофазных и газовых включений.

Пример 13. Аналогично п. 2, но скорость вращения составляет 20 об/мин. Получены кристаллы, не содержащие трещин, блоков, твердофазных и газовых включений.

Пример 14. Аналогично п. 2, но скорость вращения составляет 25 об/мин. В кристаллах содержатся газовые включения, расположенные в виде цепочки вдоль оси роста.

Пример 15. Аналогично п. 2, но скорость охлаждения выращенных кристаллов составляет 15°С/ч. Получены кристаллы, не содержащие трещин, однако при этом увеличиваются энерго- и трудозатраты без достижения дополнительного положительного эффекта.

Пример 16. Аналогично п. 2, но скорость охлаждения составляет 20°С/ч. Получены кристаллы, не содержащие трещин.

Пример 17. Аналогично п. 2, но скорость охлаждения составляет 30°С/ч.

Получены кристаллы, не содержащие тре щин.

Пример 18. Аналогично п. 2, но скорость охлаждения составляет 40°С/ч. В кристаллах наблюдаются трещины.

Формула.изобретения

1. Способ получения монокристаллов ортосиликата калия и свинца, включающий расплавление исходной шихты стехиометрического состава, выращивание монокристалла из расплава и его последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью увеличения размеров монокристал- лов, выращивание ведут путем вытягивания

монокристалла из расплава со скоростью 0,50-0,75 мм/ч на затравку, вращающуюся со скоростью 20-30 град/ч.

2. Способ по п. 2, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества моно- кристаллов, к исходной шихте добавляют оксид свинца в количестве 0,2-1,0 мол.%.

Использование: выращивание монокристаллов ортосиликата калия и свинца. Сущность изобретения: кристаллы вытягивают из расплава со скоростью 0,5-0,75 мм/ч на затравку, вращающуюся со скоростью 20- 30 град/ч. Для улучшения качества к шихте добавляют 0,2-1,0 мол.% оксида свинца. 1 н. и 1 з.п. ф-лы, 18 пр.