ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

способ выращивания объемных монокристаллов александрита

Классы МПК:C30B15/02 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе
C30B9/12 солевые растворители, например выращивание из флюсов
C30B27/02 вытягиванием из расплава
C30B29/22 сложные оксиды
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-10-26
публикация патента:

Изобретение относится к технологии получения объемных кристаллов александрита, которые могут быть использованы в качестве высококачественного сырья для изготовления оптических элементов лазерных систем. Способ включает растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла, при этом исходная шихта содержит 40 мас.% алюмината бериллия с добавкой оксида хрома в количестве до 1 мас.% и 60 мас.% растворителя, состоящего из 95-98 мас.% оксида свинца и 2-5 мас.% оксида бора, а выращивание ведут при температуре 1250°С, осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/сек. Изобретение обеспечивает получение объемных монокристаллов александрита оптического качества с низкой плотностью дислокации. 2 пр.

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения объемных монокристаллов александрита, и может быть использовано для получения высококачественного сырья для изготовления оптических элементов лазерных систем.

Известен способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, включающий расплавление исходной шихты из оксидов бериллия и алюминия и выращивание кристалла при постоянной температуре, близкой к температуре фазового перехода (1853°С), причем в качестве исходной используют шихту со стехиометрическим по отношению к BeO·Al2O3 составом, а выращивание кристалла способ выращивания объемных монокристаллов александрита, патент № 2471896 -модификации производят методом горизонтальной направленной кристаллизации (Гуров В.В., Цветков Е.Г. «Исследование высокотемпературного полиморфного перехода в хризоберилле», Неорганические материалы, 1998, т.34, № 7, стр.864-866).

Использование шихты стехиометрического по отношению к BeO·Al2O3 состава позволяет выращивать объемные монокристаллы хризоберилла с достаточно высокой линейной скоростью кристаллизации.

Однако по данному способу очень сложно вырастить объемный монокристалл, что объясняется следующим: равновесная кристаллизация стехиометрического расплава начинается с образования при 1870°С высокотемпературной модификации с плотностью около 2,7 г/см3, а при снижении температуры кристалла до 1853°С происходит переход высокотемпературной способ выращивания объемных монокристаллов александрита, патент № 2471896 -модификации кристалла в низкотемпературную способ выращивания объемных монокристаллов александрита, патент № 2471896 -модификацию, имеющую орторомбическую структуру и плотность 3,7 г/см3, что приводит к растрескиванию кристалла и образованию мелкокристаллического агрегата.

Известен способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, описанный в патенте РФ на изобретение № 2315134 «Способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей», заявленный 2006.06.05, опубликованный 2008.01.20 и выбранный в качестве прототипа, включающий растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла.

Данный способ обеспечивает выращивание объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей в условиях гарантированного затравливания единичного объемного монокристалла низкотемпературной фазы и последующего разращивания его в области устойчивости этой фазы с высокой массовой скоростью роста.

Данный способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей имеет следующие недостатки:

- для полного исключения самопроизвольного перехода низкотемпературной фазы в высокотемпературную в процессе роста необходимо применение высокоточного дорогостоящего оборудования для регулирования температуры из-за близости температуры процесса к температуре фазового перехода;

- из-за высокой рабочей температуры процесс можно вести только в среде инертного газа или вакууме и невозможно использовать данную методику для получения кристаллов на воздухе, что ведет к усложнению конструкции ростовой печи, увеличивая ее стоимость и усложняя обслуживание.

Это происходит за счет того, что выделяющаяся при кристаллизации кристалла теплота, нагревает слои расплава вблизи фронта кристаллизации, что создаст условия для перехода нестабильной при этой температуре низкотемпературной фазы в стабильную высокотемпературную.

Заявляемое изобретение обеспечивает решение технической задачи выращивания объемных монокристаллов александрита оптического качества при гарантированном затравливании единичного объемного монокристалла его низкотемпературной фазы.

Заявляемое техническое решение основано на впервые установленной зависимости между составом раствора и режимом выращивания объемного монокристалла александрита при контролируемом температурном перепаде.

Такая зависимость и достигаемый технический результат не могли быть предсказаны заранее на основе анализа известных из уровня техники зависимостей. Конкретные значения количественных признаков также не следуют из известных знаний и впервые установлены авторами экспериментально.

Исходная шихта содержит основные компоненты BeO, Al2O3, а также растворитель. Именно состав растворителя является сущностью предлагаемого изобретения.

Способ выращивания объемных монокристаллов александрита заключается в подготовке исходной шихты. При этом в тигель помещают алюминат бериллия с добавкой оксида хрома (до 1 мас.%), в количестве 40 мас.%. В тигель также вводят 60 мас.% растворителя - смеси оксидов свинца (95-98 мас.%) и бора (2-5 мас.%). После этого раствор нагревают до температуры 1250°С, выдерживают при этой температуре 2-4 дня, опускают затравку и производят процесс выращивания при осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/сек. При меньшем осевом градиенте невозможно достичь качественного роста вследствие возникновения зон автономного роста и ячеистой структуры роста.

Скорость вытягивания 5 мм/сутки является оптимальной, т.к. при большей скорости происходит захват питающего раствора и газовых включений, а при меньшей - снижение массовой скорости роста объемных монокристаллов.

Частота вращения 10 об/сек является оптимальной, т.е. обеспечивает качественный рост. Превышение данной величины ведет к потере стабильности формы поперечного кристалла, в то время как при меньшей частоте возникает вероятность захвата включений питающего раствора вследствие недостаточного перемешивания раствора вблизи фронта кристаллизации.

Температуру при этом поддерживают постоянной, а процесс кристаллизации идет за счет постоянного массопереноса шихты александрита из более горячей донной части тигля в зону кристаллизации - верхнюю часть, где происходит рост кристалла. При этом установлено, что введение в раствор 2-5 мас.% оксида бора в виде борной кислоты ускоряет процесс растворения компонентов александрита, создает оптимальные гидродинамические течения в тигле, что способствует отводу выделяющихся при кристаллизации растворенных газов и повышает качество кристаллов, а сам оксид бора препятствует испарению оксида свинца - основного компонента шихты).

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Пример 1. 100 г исходной шихты, состоящей из 40% александрита и 60 мас.% растворителя загружают в платиновый тигель и выдерживают при температуре 1250°С 2-4 дня для насыщения раствора. Состав александрита BeAl2O4:Cr - 25 мас.% BeO, 74,9 мас.% Al2O3 и 0,1 мас.% Cr2 O3. Состав растворителя - 98 мас.% PbO и 2% B 2O3. После чего монокристалличсскую затравку, которая имеет размеры 15×2×2 мм с углом наклона острия 45°, вводят в поверхность раствора при температуре 1250°С и частоте вращения 5 об/сек. В дальнейшем скорость вращения затравки не меняют и кристалл вытягивают со скоростью 3 мм/сут. За три дня кристалл разрастается до сечения 8×10 мм и через 40 суток кристалл отделяют от поверхности раствора, охлаждают со скоростью до 300°С/час. Полученный кристалл ориентирован вдоль оси [001], без учета конуса разрастания имеет длину 120 мм (сечение 8×10 мм) и пригоден для изготовления лазерного стержня.

Пример 2. 100 г исходной шихты с составом 25 мас.% BeO, 74,9 мас.% Al2O3 и 0,1 мас.% Cr2O3 и 60 мас.% растворителя - 98 мас.% PbO и 2% B2O3 загружают в платиновый тигель и выдерживают при температуре 1250°С 2-4 дня для насыщения раствора. После чего монокристаллическую затравку, которая имеет размеры 15×2×2 мм с углом наклона острия 45°, вводят в раствор при температуре 1250°С и частоте вращения 5 об/сек. В дальнейшем скорость вращения затравки не меняют и кристалл не вытягивают. За 30 дней кристалл достигает 70% площади тигля. Кристалл отделяют от остатков раствора, охлаждают со скоростью до 300°С/час. Полученный кристалл ориентирован вдоль оси [001], имеет диаметр до 40 мм, длиной до 20 мм и пригоден для изготовления лазерных элементов.

Описанные в примерах эксперименты были проведены на резистивной ростовой печи с керамическим тепловым узлом на воздухе из платинового тигля при контролируемом температурном градиенте, что достигается за счет дополнительных нагревательных элементов, расположенных в непосредственной близости сверху и снизу тигля. Регулирующая термопара была размещена непосредственно под тиглем.

Полученные в примерах кристаллы имеют оптическое качество, низкую плотность дислокации и пригодны для изготовления активных элементов лазерных систем. На всех выращенных кристаллах присутствуют гранные формы роста, фронт кристаллизации во всех примерах плоский.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ выращивания объемных монокристаллов александрита, включающий растворение исходной шихты, ее гомогенизацию, введение в раствор вращающейся монокристаллической затравки и выращивание кристалла, отличающийся тем, что используют исходную шихту, которая содержит 40 мас.% алюмината бериллия с добавкой оксида хрома до 1 мас.%, 60 мас.% растворителя - смеси оксидов свинца 95-98 мас.% и бора 2-5 мас.%, а выращивание ведут при температуре 1250°С, при осевом градиенте температуры от 2 до 20°С, скорости вытягивания до 5 мм/сутки, частоте вращения до 10 об/с.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2471896

patent-2471896.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 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)
способ получения монокристаллов молибдата цинка -  патент 2363776 (10.08.2009)

Класс C30B9/12 солевые растворители, например выращивание из флюсов

Патенты РФ в классе C30B9/12:
способ выращивания монокристаллов литий-висмутового молибдата -  патент 2519428 (10.06.2014)
способ выращивания кристалла методом киропулоса -  патент 2494176 (27.09.2013)
способ выращивания монокристаллов литий-магниевого молибдата -  патент 2487968 (20.07.2013)
способ выращивания монокристаллов нитрида галлия -  патент 2477766 (20.03.2013)
способ получения монокристаллов высокотемпературных сверхпроводящих соединений типа "123" -  патент 2434081 (20.11.2011)
способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей -  патент 2315134 (20.01.2008)
устройство для выращивания монокристаллов сложных окислов -  патент 2245945 (10.02.2005)
способ приготовления раствор-расплава для выращивания монокристаллов -bab2o4 -  патент 2195520 (27.12.2002)
способ получения высокотемпературных сверхпроводниковых соединений -  патент 2182194 (10.05.2002)
способ гомогенизации раствор-расплавов или расплавов при выращивании монокристаллов -  патент 2164561 (27.03.2001)

Класс C30B27/02 вытягиванием из расплава

Класс C30B29/22 сложные оксиды

Патенты РФ в классе C30B29/22:
способ соединения деталей из тугоплавких оксидов -  патент 2477342 (10.03.2013)
способ получения сложного оксида со структурой силленита -  патент 2463394 (10.10.2012)
способ получения монокристаллов высокотемпературных сверхпроводящих соединений типа "123" -  патент 2434081 (20.11.2011)
pr-содержащий сцинтилляционный монокристалл, способ его получения, детектор излучения и устройство обследования -  патент 2389835 (20.05.2010)
способ получения совершенных кристаллов трибората цезия из многокомпонентных растворов-расплавов -  патент 2367729 (20.09.2009)
способ получения кристаллов иодата лития для широкополосных преобразователей ультразвука -  патент 2347859 (27.02.2009)
способ получения кристалла на основе бората и генератор лазерного излучения -  патент 2338817 (20.11.2008)
способ выращивания профилированных монокристаллов иодата лития гексагональной модификации на затравку, размещаемую в формообразователе -  патент 2332529 (27.08.2008)
полупроводниковый антиферромагнитный материал -  патент 2318262 (27.02.2008)
способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей -  патент 2315134 (20.01.2008)


Наверх