способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната

Формула изобретения

Способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского, включающий расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла, отличающийся тем, что в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, после начала разращивания конической части уменьшают скорость вытягивания монокристалла из расплава согласно следующей зависимости:

_L= ₀-kL,

где v _L - скорость вытягивания при длине кристалла L, мм/ч;

v₀ - скорость вытягивания при начале разращивания конической части кристалла, равная 2-7 мм/ч;

L - текущее значение длины кристалла, мм;

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,1-0,2,

при этом угол разращивания конусной части составляет не менее 140°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов и может быть использовано при выращивании монокристаллов гранатов, более конкретно монокристаллов тербий-галлиевого граната, применяющихся, например, в лазерной технике, магнитной микроэлектронике, для ювелирных целей.

Известен способ получения монокристаллов гадолиний-галлиевого граната, охарактеризованный в авторском свидетельстве СССР № 1453960, 08.10.1986, который включает расплавление исходной шихты и затравливание на затравку при ее вращении со скоростью 30-40 об/мин. Затем, не изменяя скорости вращения, выращивают шейку длиной не менее 15 мм и диаметром не более 15 мм со скоростью вытягивания от 7-10 мм/ч в начале до 1,5-2,5 мм/ч в конце шейки. После этого, не изменяя скорости вытягивания, уменьшают скорость вращения по предлагаемой зависимости. После достижения цилиндрической части скорость вытягивания увеличивают до 2,6-7,0 мм/ч. Получены кристаллы массой до 11-13 кг, с длиной конуса 18 мм и углом разращивания конуса 140°; уменьшение скорости вращения ведут по зависимости

,

где - текущее значение скорости вращения, об/мин;

_к - скорость вращения на цилиндре, об/мин;

₀ - скорость вращения затравки при затравливании, об/мин;

L - текущее значение длины кристалла, мм;

L_к - длина кристалла, до которой уменьшают скорость вращения, мм;

L₀ - длина кристалла до начала изменения скорости вращения, мм;

n - безразмерный коэффициент, равный 1,5-2,0.

Кристалл выращивают до массы 11-13 кг, плотность дефектов в кристалле 0-3 см^-2.

Из авторского свидетельства СССР №1347513, приоритет 29.11.1985, известен способ выращивания монокристаллов гадолиний - галлиевого граната. Монокристаллы выращивают из расплава на вращающуюся затравку. Коническую часть монокристалла вытягивают со скоростью 3-7 мм/ч до изменения формы фронта кристаллизации. Затем скорость вытягивания уменьшают по закону V_т=V_к- L, где V_к, V_т - скорости вытягивания конической части монокристалла до и после изменения формы фронта кристаллизации соответственно, мм/ч; L - длина конусной части монокристалла после изменения формы фронта кристаллизации, мм; =0,01-0,12 - коэффициент, подобранный экспериментально, мм^-1.

Данным известным способом получают монокристаллы гадолиний-галлиевого граната с выходом годных монокристаллов диаметром 105-110 мм с плотностью дефектов кристаллической структуры 7 см^-2.

Известен способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского, включающий расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла (прототип) (заявка Японии № 54150377 от 26.11.1979).

Этим способом получают монокристаллы большого размера и высокого качества. Это достигается путем регулирования скорости вращения штока, на котором крепятся затравка и выращиваемый монокристалл. По мере выращивания скорость вращения штока снижают пропорционально величине К, равной H/D, где Н - высота оставшегося расплава, D - его диаметр. Оптимальная скорость вращения штока находится из уравнения:

W_c=ak+b

Где а и b - постоянные, определяемые экспериментально.

Однако данный способ не позволяет получить повышенный выход годного по весу и длине кристалла.

Технической задачей заявленного изобретения является получение оптически прозрачных кристаллов тербий-галлиевого граната, однородных, с минимальной концентрацией дефектов, с повышенным выходом.

Поставленная техническая задача достигается способом выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского, включающий расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла, причем согласно изобретению в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, после начала разращивания конической части уменьшают скорость вытягивания монокристалла из расплава согласно следующей зависимости:

_L= ₀-kL

где _L - скорость вытягивания при длине кристалла L, мм/час;

₀ - скорость вытягивания при начале разращивания конуса кристалла, равная 2-7 мм/час;

L - текущее значение длины кристалла, мм;

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,1-0,2,

при этом углом разращивания конусной части составляет не менее 140°.

Размеры монокристалла тербий-галлиевого граната:

- длина конуса кристалла - 10-20 мм,

- масса кристалла - 4-8 кг;

Технические характеристики процесса:

Скорость вращения затравки - 2-10 об/мин;

Время роста кристаллов - 20-40 часов

Скорость вытягивания ₀ от 2 до 7 мм/час.

Значение k (коэффициента пропорциональности) - подобран экспериментально, и его значения находятся в интервале 0,1-0,2.

Верхний предел разращивания, например, равен 170°.

Вытягивание кристаллов осуществляют в инертной атмосфере, например, азота с добавкой кислорода.

При выращивании монокристаллов с углом разращивания более 140° и с использованием при этом приведенной выше зависимости скорости вытягивания от длины конуса получают оптически прозрачные кристаллы тербий-галлиевого граната с однородными оптическими свойствами, с минимальной концентрацией дефектов, с выходом годной цилиндрической части, на 15% превышающим стандартные условия выращивания.

Ниже представлен конкретный пример осуществления, иллюстрирующий изобретение, но не ограничивающий его.

Пример. Монокристаллы получают методом Чохральского. В тигель (иридиевый или платиновый) загружают гранатобразующие компоненты - смесь окислов тербия и галлия, например в соотношении 54,0 мас.% оксида тербия и 46,0 мас.% оксида галлия. Шихту плавят посредством нагрева (высокочастотного) тигля и вытягивают кристаллы на ориентированную затравку в атмосфере инертного газа, содержащего кислород. Затравку вращают со скоростью 2 об/мин. При касании затравкой расплава происходит затравливание, после чего начинают перемещение затравки вверх со скоростью 3 мм/час, до начала вытягивания конуса кристалла.

После начала выращивания конуса скорость вытягивания уменьшают и она определяется в соответствии с зависимостью:

_L (мм/час)=3(мм/час) - 0,1(1/час)×L мм.

Текущее значение длины кристалла L равно, например, 10-20 мм

Получают монокристалл ТГГ хорошего оптического качества с углом разращивания конусной части 145° с коэффициентом поглощения до 0,5×10^-4, не содержащих оптических дефектов и выходом годной цилиндрической части, на 15% превышающей стандартные условия выращивания.

Полученные монокристаллы используют в оптической и лазерной технике, например для изготовления фарадеевских вращателей и изоляторов.