способ получения кристаллов вольфрамата натрия-висмута
| Классы МПК: | C30B15/02 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе C30B29/32 титанаты; германаты; молибдаты; вольфраматы |
| Автор(ы): | Редькин Борис Сергеевич (RU), Колесников Николай Николаевич (RU), Борисенко Дмитрий Николаевич (RU) |
| Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU) |
| Приоритеты: |
подача заявки:
2012-03-29 публикация патента:
20.06.2013 |
Изобретение относится к области выращивания из расплава нелегированных кристаллов вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO 4)2, являющегося перспективным материалом для Черепковских детекторов. Выращивание кристаллов осуществляют методом Чохральского в воздушной атмосфере со скоростью вытягивания 4-5 мм/час и скоростью вращения кристалла 15-19 мин-1 . Способ позволяет получать кристаллы, прозрачные в видимом диапазоне начиная с длины волны 352 нм. 3 ил., 4 пр.
Формула изобретения
Способ получения кристаллов вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO 4)2 методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4-5 мм/ч, отличающийся тем, что скорость вращения кристалла составляет 15-19 мин -1.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области выращивания кристаллов из расплава. Вольфрамат натрия висмута NaBi(WO4) 2 - перспективный материал для Черенковских детекторов.
Известен способ получения кристаллов NaBi(WO4 )2 методом Чохральского [E.G.Devitsin, V.A.Kozlov, V.A.Nefedov, A.R.Terkulov, B.I.Zadneprovski. Colorless NaBi(WO 4)2: In Cherenkov Crystals for Electromagnetic Calorimetry. Научно-информационный журнал «ЭЛЛФИ», 2003, выпуск 5, № 28, с.1-14] - прототип, в котором кристаллы выращивают в воздушной среде, из платиновых тиглей, со скоростью вытягивания 4-5 мм/час при скорости вращения 30-32 мин-1. По этому способу получены нелегированные кристаллы NaBi(WO4 )2, а также кристаллы, легированные индием.
Основной недостаток способа-прототипа состоит в том, что нелегированные кристаллы NaBi(WO4)2 практически непрозрачны в диапазоне длин волн 352-380 нм, что снижает эффективность их применения в Черенковских детекторах. При выращивании кристаллов по способу-прототипу, для обеспечения прозрачности в указанном диапазоне, NaBi(WO4)2 необходимо легировать индием, что усложняет процесс.
На Фиг.1 представлены опубликованные авторами способа-прототипа [E.G.Devitsin, V.A.Kozlov, V.A.Nefedov, A.R.Terkulov, B.I.Zadneprovski. Colorless NaBi(WO 4)2: In Cherenkov Crystals for Electromagnetic Calorimetry. Научно-информационный журнал «ЭЛЛФИ», 2003, выпуск 5, № 28, с.1-14] спектры светопропускания нелегированного NaBi(WO 4)2, а также кристалла, легированного индием. Из спектров на Фиг.1 видно, что нелегированный кристалл NaBi(WO 4)2 прозрачен в видимом диапазоне начиная с длины волны 380 нм, а легированный индием - начиная с длины волны 352 нм.
Задачей данного изобретения является упрощение процесса получения кристаллов NaBi(WO4)2 , прозрачных в диапазоне длин волн 352-380 нм.
Эта задача решается в предлагаемом способе в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4-5 мм/час за счет выращивания нелегированных кристаллов NaBi(WO4) 2 со скоростью вращения 15-19 мин-1.
На фиг.2 показаны кристалл NaBi(WO4)2, выращенный по предлагаемому способу (слева), и заготовка твердотельного элемента Черепковского детектора из такого кристалла (справа).
На фиг.3 представлен спектр светопропускания кристалла NaBi(WO4)2, выращенного по предлагаемому способу. Видно, что материал прозрачен в видимом диапазоне начиная с волнового числа 28400 см-1, что соответствует длине волны 352 нм.
Таким образом, получен нелегированный NaBi(WO4)2, прозрачный в диапазоне длин волн 352-380 нм.
Достигнутый результат может быть объяснен следующим образом. При выращивании NaBi(WO4 )2 с высокими скоростями вытягивания и вращения, в кристаллах, как правильно отмечено авторами способа-прототипа, образуются точечные дефекты, а именно вакансии вольфрама и атомы висмута, занимающие места атомов натрия в решетке (см. [E.G.Devitsin, V.A.Kozlov, V.A.Nefedov, A.R.Terkulov, B.I.Zadneprovski. Colorless NaBi(WO4)2: In Cherenkov Crystals for Electromagnetic Calorimetry. Научно-информационный журнал «ЭЛЛФИ», 2003, выпуск 5, № 28, с.4]). Эти дефекты обуславливают появление глубоких энергетических уровней в запрещенной зоне NaBi(WO4 )2, вызывающих интенсивное поглощение света в диапазоне длин волн 350-420 нм и, как следствие, непрозрачность кристаллов в диапазоне длин волн 352-380 нм. В способе-прототипе прозрачность кристаллов в диапазоне длин волн 352-380 нм достигается за счет компенсации глубоких уровней при введении примеси индия. В предлагаемом способе, за счет снижения скорости вращения кристалла, существенно снижается концентрация точечных дефектов в NaBi(WO4 )2, что позволяет получать нелегированные кристаллы, прозрачные в диапазоне длин волн 352-380 нм. Исключение легирования упрощает технологический процесс.
Предлагаемый интервал скорости вращения выбран экспериментально. При скорости выше 19 мин-1 значительно возрастает концентрация точечных дефектов в кристаллах, и, как следствие, NaBi(WO 4)2 интенсивно поглощает свет с длинами волн 352-380 нм. При скоростях вращения ниже 15 мин-1 выращивание качественного NaBi(WO4)2 неосуществимо, так как в этом случае механизм роста сменяется на дендритный и в кристаллах образуется множество структурных макродефектов, что делает невозможным применение NaBi(WO4)2 в Черенковских детекторах.
Пример 1
Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO4) 2 выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4 мм/час и скоростью вращения кристалла 14 мин-1. Получить качественный NaBi(WO4)2 не удается из-за дендритного механизма роста кристалла.
Пример 2
Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO4) 2 выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 5 мм/час и скоростью вращения кристалла 15 мин-1. Получен кристалл NaBi(WO 4)2, прозрачный в диапазоне длин волн 352-380 нм.
Пример 3
Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO4)2 выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4 мм/час и скоростью вращения кристалла 19 мин-1. Получен кристалл NaBi(WO4) 2, прозрачный в диапазоне длин волн 352-380 нм.
Пример 4
Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO 4)2 выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 5 мм/час и скоростью вращения кристалла 20 мин-1. Получен кристалл NaBi(WO4)2, практически полностью поглощающий свет в диапазоне длин волн 352-380 нм, т.е. непрозрачный в данном диапазоне.
Класс C30B15/02 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе
Класс C30B29/32 титанаты; германаты; молибдаты; вольфраматы
