Способ выращивания монодоменных кристаллов ниобата лития из расплава Советский патент 1982 года по МПК C30B15/00 C30B29/30 

Изобретение касается метода выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплава методом Чохральского. Под ниобатом лития понимают .как стехиометрический ниобат лития (LiNbO-j) с соотношением Li2 0/Nb2 05 50:50 мольных процентов, так и нестехиометрические составы кристаллов с долей 48-51 мольных процентов На основе их ферроэлектрического характера однодоменные кристаллы ниобата лития из-за их сильного взаимодействия с электромагнитными полями отличаются исключительными электрооптическими и нелинейными оптическими свойствами. Кроме того, ниобат лития имеет очень хорошие пьезоэлектрические коэффициенты, В связи с очень хорошим спектральным коэффициентом пропускания 0,4-4,5 мк конструктивные элементы из однодомен ного ниобата лития представляют собой очень большой интерес дня применения во многих оптических приборах для амплитудной, фазовой или частотной модуляции электромагнитного излу чения, в качестве умножителей частоты или параметрических осцилляторов. Известно, что на основе метода Чохральского можно выращивать кристаллы ниобата лития из расплава, а полученные таким, методом кристаллы имеют мультидоменную структуру. Под доменами понимаются области с различным направлением электрической поляризации, спонтанно устанавливающейся в ферроэлектрических материалах. Границы доменов являются причиной значительного воздействия на оптические свойства, например вследствие рассеивания света. Поэтому большой интерес представляет устранение этих структурных дефектов и изготовление больших, однодоменных, оптически однородных кристаллов. Однако условия, при которых кристаллы ниобата лития выращиваются из распла1вов, оказывают сильное воздействие на доменную структуру. По этой причине реализация однодоменности связана с дополнительными технико-технологическими мероприятиями для известных способов выращивания, Однодоменные кристаллы ниобата лития выращивают из расплавов по методу Чохральского во внешнем электрическом поле (поляризация). Для этого во время процесса выращивания через поверхность раздела между выра щиваемым кристаллом и расплавом пропускается ток, и уже выращенный крис талл также подвергается воздействию этого тока в диапазоне 1000-1200с, т.е. вблизи точки Кюри (1210с) . Известен вариант метода Чохральского для поляризации кристаллов ниобата лития, при котором уже выращенные монодоменные кристаллы ниобата лития подвергают отжигу в электри ческом поле при 1000-1200С. Обе эти известные возможности для получения однодоменной структуры в кристаллах ниобата лития могут применяться комбинированно в двухэтапном процессе. К современному уровню техники также относятся методы, при которых в расплавы добавляются примеси, напр мер 0,1-5 атомных процентов окиси молибдена или окиси вольфрама (MoOj, WOJ)относительно содержания ниобия, с тем, чтобы при соблюдении точно определенных условий выращивания и при применении особо чистых исходных веществ получить однодоменные кристаллы ниобата лития. Известны также попытки получения однодоменной структуры кристаллов ни бата лития с помощью специальных допусков ориентации затравочных кристаллов относительно кристаллографических осей, причем для стабилизации однодоменности используют также комбинации с приведенными выше методами. Кроме того, известен метод поддер жания электрического короткого замыкания между затравочным кристаллом и расплавом или платиновым тигелем с помощью используемого для разогревания исходной смеси омического нагрева, чтобы обеспечить таким образом однодоменность растущих кристаллов без воздействия внешнего электрического поля. Для этого затравочный кристалл в его фиксирующем устройстве электрически соединен с платиновым тигелем через шток вытягивания кристалла. Недостаток всех известных методов заключается в том, что требуются значительные дополнительные техникотехнологические затраты, что усложняет технологию выращивания и, кроме того, отрицательно сказывается на качестве кристаллов. Так, наприме при поляризации имеет место повышенная опасность разрушения кристаллов. у катода, которая часто связана с неустраняемым полностью окрашиванием Другое отрицательное воздействие на свойства кристаллов ниобата лити обусловлено опасностью диффундирования материала электродов, в особенности со стороны анода, а считавшиеся до сих пор обязательными специальные кристаллографические допуски ориентации обуславливают дополнительное усложнение. Кроме того, несмотря на дополнительное усложнение технологии и аппаратуры внутрикристаллов более или менее значительные области разделены доменными границами, в результате чего сильно ограничен полезный объем кристаллов ниобата лития. Цель изобретения - достижение возможности реализации однодоменности при отказе при этом от считавшегося до сих пор необходимым дополнительного усложнения аппаратуры. Кроме того, однодоменность должна быть обеспечена по всей полезной длине кристалла в течение всего процесса выращивания, а также в готовом кристалле ниобата лития. Исходя из метода выращивания кристаллов по методу Чохральского, задачей данного изобретения является указание простого метода для вырадцивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплава. в основу изобретения положен тот факт, что мероприятия для реализации однодоменной структуры по известным до сих пор методам и дополнительные мероприятия не только усложняют процесс выращивания кристаллов ниобата лития, но также могут отрицательно сказываться на качестве кристаллов, например в отношении оптической однородности и пропускания. Кроме того, однодоменность обеспечивается не по всей полезной длине кристаллов. Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что в противоположность к до сих пор распространенной теории однодоменные кристаллы ниобата лития могут выращиваться длиной не менее 75-80 мм и 25-30 мм без дополнительных усложнений аппаратуры и технологии из расплавов на основе метода Чохральского. Выбор атмосферы, в которой производится выращивание, при этом не оказывает влияния на доменную структуру. Цель достигается тем, согласно методу выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплавов с помощью затравочного кристалла, который с незначительными зажимом и напряжением закреплен в держателе, соединенном с штоком вытягивания кристалла при его непрерывном и одновременном подъеме и вращении/ держатель является неэлектропроводным, а кристалл ниобата лития с однодоменной структурой выращивают без воздействия внешнего электрического поля и с исключением внешних коротких замыканий между затравочЕым кристаллом и расплавом или материалом металлического тигеля. На чертеже представлена схема осу ществления предлагаемого способа. Используется метод выращивания кристаллов Чохральского . В тигле 1 из благородного металла (например Pt который для создания равномерного теплораспределения и термической изо ляции помещен в керамическую оболочку 2, находится расплав 3 ниобата лития с температурой свыше точки плавления (Т.пл, ). Разо рев расплава 3 тигля 1 производится высокочастотным индукционным или оми ческим нагревателем 4. Сориентированный затравочный кристалл 5 устанавливают в держателе б , который состоит из гильзы 7 из устойчивых к высоким температурам металлов или сплавов и стержня 8 из непроводящей керамики, устойчивой к высоким температурам, диаметром 5-15 мм и длиной 150-250 мм. Для это го затравочный кристалл 5 крепят 8гильзе 7 держателя с очень малым зажиманием и напряжением. Гильза 7, в свою очередь, с помощью штыкового присоединения крепится к непроводящему керамическому стержню 8, которы соединен с непоказанным на чертеже штоком для вытягивания. Поляризация и ориентация с-затравочного кристалла 5 являются некри тическими. После погружения затравочного кристалла 5 на несколько миллиметров в расплав 3 ниобата лития кристалл 9ниобата лития выращивается при пос тоянном вращении (5-30 об/мин) и одновременном подъеме движения в вертикальном направлении (1-5 глм/ч) . Вращение и подъемное движение обо начаны стрелками 16 и 17. Сначала на поверхности раздела 13 между кристал лом 9 и расплавом 3 при непрерывной кристаллизации возникает параэлектри ческая зона 10 растущего кристалла 9 Высвобождающееся при кристаллизации тепло в основнЬм отводится растущим кристаллом 9, так как любое дополнительное охлаждение кристалла 9 и фик сатора держателя б предотвращается. В процессе роста кристалла в соот ветствии с условиями выращивания и характеристиками аппаратуры Чохральского образуется вертикальный температурный градиент в растущем кристалле 9, который в случае ниобата лития приводит к тому, что из первоначально параэлектрической зоны 10 при прохождении уровня 11 с температурой точки Кюри (1210С) образует ся ферроэлектрическая зона 12 при формировании и непрерывном сохранении однодоменной структуры. Высота границы 11 между параэлектрической и ферроэлектрической зонами (уровень с температурой точки Кюри) над поверхностью 14 расплава ориентируется на величину вертикального температурного градиента, дополнительное воздействие на который можно оказывать нагревателем 15. Так, например, эта граничная зона 11 при вертикальном температурном градиенте 10-50 С/см лежит на высоте 40-10 мм над поверхностью 14 расплава 3. После окончания выращивания кристалл оплавляется и охлаждается До комнатной температуры, например сначала со скоростью 10-50°С/ч, позднее быстрее, так, что после 10-20 ч достигается комнатная температура. В результате такой методики выращивания всегда получаются однодоменные кристаллы, (+)-полярность которых направлена к зародышу, а (-)-полярность - к расплаву. Такая поляризация возникает сразу же после начала выращивания, если температура охлаждающегося кристалла не превышает точку Кюри (1210С) и сохраняется во всем кристалле лишь когда неиспользуемый при применении кристалла поверхностный слой толщиной максшлум 0,5 мм после окончания выращивания, как при известном методе, имеет мультидоменную структуру. Выбор атмосферы выращивания для успеха предлагаемого метода значения не имеет. Положенный в основу предлагаемого изобретения эффект объясняется тем, чТо электрически изолирующий держатель затравки, по-видимому, способствует стабилизации внутреннего электрического поля, под воздействием которого обеспечивается постоянная поляризация и тем самым однодоменность.в процессе выращивания. Формула изобретения Способ выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплава на затравочном кристалле, который с незначительным зажимом и напряжением закреплен на держателе, соединенном со штоком вытягивания кристалла, при его непрерывном и одновременном подъеме и вращении, отличающийся тем, что держатель является неэлектропроводным. Признано изобретение по результатам экспертизы, осуществленной ведомством по изобретательству Германской Демократической Республики.