Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ получения монокристаллов linbo3 и устройство для его осуществления

Классы МПК:C30B15/02 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе
C30B15/14 нагревание расплава или кристаллизуемого материала
C30B13/18 нагревательным элементом, находящимся в контакте или погруженным в расплавленную зону
C30B29/30 ниобаты; ванадаты; танталаты
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный университет (КубГУ) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2006-11-20
публикация патента:

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава, используемого в нелинейной оптике. Монокристаллы LiNbO3 плавятся инконгруэнтно и поэтому для получения монокристаллов стехиометрического состава используют вытягивание монокристалла из жидкой фазы эвтектического состава с подпиткой твердой фазой предварительно синтезированного соединения, подогреваемой снизу и сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещенным в жидкую фазу и установленным с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и получаемом монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла. Устройство включает механизм вытягивания монокристалла, теплоизолированный тигель с подпитывающей твердой фазой, плоский нагреватель тигля с теплоизоляцией, двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, при этом двухслойный спиральный электронагреватель снабжен электродами, проходящими через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скрепленными с ней. Нагреватели устройства формируют плоские изотермические поверхности по высоте тигля, двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, отводит пузырьки воздуха, выделяющиеся при растворении подпитывающей твердой фазы, от фронта кристаллизации к стенкам тигля, установка двухслойного спирального электронагревателя с зазором относительно подпитывающей твердой фазы обеспечивает ее нагрев до температуры растворения при условии уменьшения градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле, что осуществляется использованием печи с теплоизоляцией для подогрева вытягиваемого монокристалла, входящей в тигель по мере растворения подпитки и роста монокристалла. Это стабилизирует условия проведения диффузионного механизма роста, снижает термические напряжения в монокристалле и обеспечивает получение структурно-совершенных монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава с точностью около 0,1%. 2 н.п.ф-лы, 1 ил. способ получения монокристаллов linbo<sub pos=3 и устройство для его осуществления, патент № 2330903" SRC="/images/patents/135/2330903/2330903-s2.gif" BORDER="0">

Изобретение относится к технике получения монокристаллов LiNbO 3 стехиометрического состава и других подобных соединений, их твердых растворов и может найти применение в различных отраслях промышленности, связанных с использованием нелинейной оптики.

Наиболее распространенный способ получения монокристаллов LiNbO3 - вытягивание из расплава по Чохральскому. Получаемые монокристаллы примерно соответствуют составу, близкому к составу нонвариантной точки (Li2O) 0,52(Nb2O5) 0,48 (H.B.Сидоров и др. Ниобат лития. Москва, Наука, 2003, стр.152, рис.9.1).

Устройство для осуществления этого способа включает индукционный нагреватель, тигель, механизм вытягивания монокристалла.

Твердая фаза LiNbO3 равновесна с эвтектикой состава (Li2O) 0,6(Nb2O5) 0,4 при температуре 1160°С, а температура ликвидуса 1250°С. Поэтому наиболее близким аналогом для получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава является вытягивание из жидкой фазы с твердофазной подпиткой поликристаллическим соединением (Гамазов А.А. О получении твердых растворов полупроводниковых соединений. // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. т.19, №4, 1983, стр.599, последний абзац).

Устройство для осуществления этого способа состоит из нагревателя, механизма вытягивания, тигля и решетки, под которой находится подпитывающая твердая фаза (А.Я.Нашельский. Технология полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1972, стр.134, рис.88б).

Недостаток способа - низкое качество получаемых кристаллов, в виде друз, что обусловлено действием концентрационного переохлаждения, а также включениями частиц твердой фазы, всплывающих при растворении подпитки для полупроводников или пузырьков воздуха для окислов.

Недостаток устройства - отсутствие возможности осуществления твердофазной подпитки смесью спеченных окислов стехиометрического состава из-за малого интервала между температурами ликвидуса и солидуса, а также низкой теплопроводности слитка, ведущей к возникновению градиентов температуры в сотни градусов на сантиметр. Поэтому слиток начнет плавиться снизу, что недопустимо, так как жидкофазная подпитка должна быть управляемой, а в данных условиях стать такой она не может.

Технической задачей является получение структурно совершенных монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава.

Поставленная задача решается способом получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава, включающим вытягивание монокристалла из жидкости эвтектического состава с твердофазной подпиткой предварительно синтезированным соединением, подогреваемым снизу. Подпитывающая твердая фаза дополнительно нагревается сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещаемым в жидкую фазу, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла.

Отличие от прототипа состоит в том, что подпитывающую твердую фазу дополнительно нагревают сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещаемым в жидкую фазу, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла.

Указанные отличия обеспечивают решение поставленной задачи. Нагрев подпитывающей твердой фазы сверху обеспечивает ее растворение и позволяет исключить плавление снизу. Использование двухслойного спирального электронагревателя позволяет исключить эффект концентрационного переохлаждения и предотвратить рост друз, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла, что дополнительно уменьшает внутренние напряжения и плотность линейных дислокаций в монокристалле.

Устройство для осуществления способа получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава включает механизм вытягивания монокристалла, теплоизолированный тигель с твердофазной подпиткой, плоский нагреватель тигля с теплоизоляцией, в котором имеется двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором на подпитывающую твердую фазу. Электроды двухслойного спирального электронагревателя проходят через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скреплены с ней.

Отличие от прототипа состоит в том, что имеется двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором на подпитывающую твердую фазу, электроды которого проходят через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скреплены с ней.

Указанные отличия обеспечивают решение поставленной технической задачи. Так двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, отводит пузырьки воздуха, выделяющиеся при растворении подпитывающей твердой фазы, от фронта кристаллизации к стенкам тигля. Установка двухслойного спирального электронагревателя с зазором на подпитывающую твердую фазу обеспечивает ее нагрев до температуры растворения и исключает эффект концентрационного переохлаждения, при условии уменьшения градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле, что осуществляется использованием печи с теплоизоляцией для подогрева вытягиваемого монокристалла, входящей в тигель по мере растворения подпитки и роста монокристалла.

На чертеже показана схема устройства для получения монокристаллов LiNbO 3 в разрезе.

Устройство для получения монокристаллов LiNbO3, показанное на чертеже, состоит из механизма вытягивания со штоком 1, тигля 2 с нагревателем 3 и теплоизоляцией 4. На дне тигля 2 находится подпитывающая твердая фаза 5, а выше жидкая фаза 6. На твердую фазу 5 с зазором установлен двухслойный спиральный электронагреватель 7, спирали которых имеют в сечении форму перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля 2. Электроды 8 двухслойного спирального электронагревателя 7 скреплены с печью 9 для подогрева вытягиваемого монокристалла 10 и уменьшения градиентов температуры в жидкой фазе 6.

Для получения монокристаллов LiNbO3 устройство используют следующим образом. Предварительно приготовляют подпитывающую твердую фазу 5 стехиометрического состава. На поверхность подпитывающей твердой фазы 5 насыпают однородную смесь порошков (Li 2O)0,55(Nb2 O5)0,45, разравнивают и устанавливают двухслойный спиральный электронагреватель 7, погружая его в порошок вращением в разные стороны до упора в подпитывающую твердую фазу 5. Через печь 9 засыпают вторую часть смеси порошков (Li2O)0,6 (Nb2O5) 0,4 эвтектического состава, что обеспечивает последовательность плавления и наиболее быстрое установление диффузионного потока веществ к растущему монокристаллу 10. Общее количество плавящихся веществ обеспечивает толщину слоя жидкой фазы 6 после плавления 10-15 мм, разделенную двухслойным спиральным электронагревателем 7 по высоте на три одинаковые части. В печь 9 вводят монокристалл 10, укрепленный на штоке 1 механизма вытягивания монокристалла, и включают все нагреватели. Нагревателем 3 устанавливают температуру дна тигля 1240°С. Двухслойным спиральным электронагревателем 7 устанавливают температуру 1250°С на поверхности твердой фазы 5 и температуру 1100°С в нижней части печи 9. Температуры контролируют термопарами платиновой группы, не показанными на схеме. Опускают монокристалл 10 до соприкосновения его с жидкой фазой 6, контролируя этот процесс по показаниям датчика веса кристалла. При уменьшении веса монокристалла 10 снижают температуру печи 9 малыми шагами (0,5-1°С) до стабилизации веса. Устанавливают программу вытягивания пропорционально увеличению веса для заданного диаметра монокристалла 10. Процесс роста монокристалла 10 носит диффузионный характер и поэтому его вращение не производят, а скорости роста находятся в пределах 120-200 мкм/час. Процесс ведут до упора кольцевого выступа теплоизоляции печи 9 в теплоизоляцию 4 тигля 2, что препятствует опусканию и замыканию дном тигля двухслойного спирального электронагревателя 7. После завершения вытягивания монокристалл 10 и печь 9 с двухслойным спиральным электронагревателем 7 выключают и удаляют из остатков жидкой фазы 6, а после плавления остатков подпитывающей твердой фазы 5 нагреватель 3 выключают и расплав выливают в холодный тигель. Все детали, контактирующие с жидкой фазой, изготовляют из платины или металлов платиновой группы.

Способ и устройство для его осуществления обеспечивают получение структурно совершенных монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава с точностью около 0,1%, при точности поддержания температур 0,5°С. Несмотря на низкие скорости роста, благодаря низкому энергопотреблению, способ и устройство обеспечивают более чем двукратную экономию электроэнергии в сравнении с традиционными методами, использующими индукционный нагрев.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава, включающий вытягивание монокристалла из жидкой фазы эвтектического состава с подпиткой твердой фазой предварительно синтезированного соединения, подогреваемой снизу, отличающийся тем, что подпитывающую твердую фазу дополнительно нагревают сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещенным в жидкую фазу и установленным с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, при этом уменьшают градиент температуры в жидкой фазе и получаемом монокристалле за счет использования печи для подогрева монокристалла.

2. Устройство для получения монокристаллов LiNbO3 стехиометрического состава, включающее механизм вытягивания монокристалла, теплоизолированный тигель с подпитывающей твердой фазой, плоский нагреватель тигля с теплоизоляцией, отличающееся тем, что оно содержит двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, при этом двухслойный спиральный электронагреватель снабжен электродами, проходящими через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скрепленными с ней.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2330903

patent-2330903.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C30B15/02 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе

Патенты РФ в классе C30B15/02:
способ получения крупногабаритных монокристаллов антимонида галлия -  патент 2528995 (20.09.2014)
способ выращивания монокристаллов германия -  патент 2493297 (20.09.2013)
способ получения кристаллов вольфрамата натрия-висмута -  патент 2485218 (20.06.2013)
способ получения крупногабаритных монокристаллов антимонида индия -  патент 2482228 (20.05.2013)
способ получения монокристалла оксида цинка -  патент 2474625 (10.02.2013)
способ выращивания объемных монокристаллов александрита -  патент 2471896 (10.01.2013)
способ получения монокристалла -  патент 2418108 (10.05.2011)
способ выращивания монокристаллов с заданным распределением примесей по его длине -  патент 2402646 (27.10.2010)
способ получения совершенных кристаллов трибората цезия из многокомпонентных растворов-расплавов -  патент 2367729 (20.09.2009)
устройство для выращивания слоев кремния на углеродной подложке -  патент 2365684 (27.08.2009)

Класс C30B15/14 нагревание расплава или кристаллизуемого материала

Патенты РФ в классе C30B15/14:
способ выращивания кристаллов парателлурита гранной формы и устройство для его осуществления -  патент 2507319 (20.02.2014)
получение кристаллов -  патент 2456386 (20.07.2012)
сапфир с r-плоскостью, способ и устройство для его получения -  патент 2448204 (20.04.2012)
способ и установка для выращивания монокристалла сапфира с ориентацией в с-плоскости -  патент 2436875 (20.12.2011)
устройство для выращивания монокристаллов сапфира -  патент 2419689 (27.05.2011)
устройство для выращивания монокристаллов кремния методом чохральского -  патент 2382121 (20.02.2010)
устройство для выращивания объемных прямоугольных монокристаллов сапфира -  патент 2368710 (27.09.2009)
устройство для выращивания тугоплавких монокристаллов -  патент 2361020 (10.07.2009)
устройство для выращивания монокристаллов кремния методом чохральского -  патент 2355834 (20.05.2009)
способ выращивания кристаллов и устройство для его осуществления -  патент 2320791 (27.03.2008)

Класс C30B13/18 нагревательным элементом, находящимся в контакте или погруженным в расплавленную зону

Патенты РФ в классе C30B13/18:
способ выращивания методом отф cd1-xznxte, где 0 x 1, диаметром до 150 мм -  патент 2434976 (27.11.2011)
способ выращивания кристаллов бестигельным методом и устройство для его реализации -  патент 2426824 (20.08.2011)
способ выращивания монокристаллов германия диаметром до 150 мм методом отф -  патент 2381305 (10.02.2010)
способ управления процессом выращивания кристаллов из расплава -  патент 2357023 (27.05.2009)
устройство для выращивания монокристаллов методом осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (отф-методом) при избыточном давлении газа в ростовой камере -  патент 2357022 (27.05.2009)
установка для выращивания монокристаллов методом осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации -  патент 2357021 (27.05.2009)
способ выращивания монокристаллов в сквозных отверстиях сеток для матричных детекторов и устройство для его реализации -  патент 2344207 (20.01.2009)
способ выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия или цезия и устройство для его реализации -  патент 2338815 (20.11.2008)
способ выращивания монокристаллов германия методом отф -  патент 2330127 (27.07.2008)
способ выращивания cd1-xzn xte, где 0 х 1 -  патент 2330126 (27.07.2008)

Класс C30B29/30 ниобаты; ванадаты; танталаты

Патенты РФ в классе C30B29/30:
способ определения мольной доли li2o в монокристаллах linbo3 -  патент 2529668 (27.09.2014)
способ формирования бидоменной структуры в пластинах монокристаллов -  патент 2492283 (10.09.2013)
способ формирования полидоменных сегнетоэлектрических монокристаллов с заряженной доменной стенкой -  патент 2485222 (20.06.2013)
сложный танталат редкоземельных элементов -  патент 2438983 (10.01.2012)
способ твердофазного синтеза шихты для выращивания монокристаллов лантангаллиевого танталата -  патент 2413041 (27.02.2011)
способ поляризации монокристалла танталата лития -  патент 2382837 (27.02.2010)
способ выращивания легированных кристаллов ниобата лития состава, близкого к стехиометрическому, и устройство для его реализации -  патент 2367730 (20.09.2009)
устройство для выращивания монокристаллов оксидов тугоплавких металлов -  патент 2320790 (27.03.2008)
способ получения шихты для выращивания монокристаллов на основе оксидов редкоземельных, рассеянных и тугоплавких металлов или кремния -  патент 2296824 (10.04.2007)
монокристалл со структурой галлогерманата кальция для изготовления дисков в устройствах на поверхностно-акустических волнах и способ его получения -  патент 2250938 (27.04.2005)

Наверх