Способ получения монокристаллов теллурида галлия (ii)
Владельцы патента RU 2485217:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)
Изобретение относится к технологии получения кристаллов GaTe, которые могут быть использованы в нелинейной оптике, а именно для оптических преобразователей частоты ИК и ТГц диапазонов. Кристаллы теллурида галлия (II) выращивают вертикальной зонной плавкой в графитовых тиглях под давлением аргона 95-105 атм со скоростью движения зоны 9,5-10,3 мм/час. Изобретение позволяет выращивать монокристаллы GaTe, имеющие гексагональную структуру и однородное светопропускание в диапазоне длин волн 2,5-15 мкм. 3 ил., 6 пр.
Изобретение относится к области выращивания кристаллов.
Монокристаллический теллурид галлия (II) GaTe - перспективный материал для нелинейной оптики, а именно для оптических преобразователей частоты инфракрасного и ТГц диапазонов. Для такого использования GaTe необходимы монокристаллы, причем предпочтительно гексагональной модификации. Однако известные способы выращивания объемных кристаллов GaTe позволяют получать только материал, имеющий моноклинную структуру.
Известен способ получения монокристаллов GaTe из расплава по методу Бриджмена в запаянных кварцевых ампулах со скоростью вытягивания 1,0-1,2 мм/час [S.Pal, D.N.Bose. Growth, characterization and electrical anisotropy in layered chalcogenides GaTe and InTe. Solid State Communications, 1996, v.97, N 8, p.725-729] - аналог. Способ предназначен для выращивания кристаллов GaTe только моноклинной модификации, что является его основным недостатком.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения монокристаллов GaTe методом медленного охлаждения расплава в вакууме, в графитовых тиглях [K.C.Mandal, Т.Hayes, P.G.Muzykov, R.Krishna, S.Das, T.S.Sudarshan, S.Ma. Characterization of gallium telluride crystals grown from graphite crucible. Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XII, edited by A. Burger, L.A. Franks, R.B. James, Proc. of SPIE, 2010, v.7805, p.78050Q-1-78050Q-10] - прототип. Основной недостаток способа - возможность выращивать кристаллы GaTe только моноклинной модификации.
Задачей предлагаемого способа является получение объемных монокристаллов GaTe, имеющих гексагональную структуру.
Эта задача решается в предлагаемом способе получения GaTe из расплава в графитовых тиглях за счет выращивания кристаллов вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 95-105 атм со скоростью движения зоны 9,5-10,3 мм/час.
На Фиг.1 показан монокристалл GaTe, выращенный по предлагаемому способу. Гексагональная структура подтверждается рентгеноструктурным анализом по методу Косселя. Косселеграмма, снятая на плоскости (0001), представлена на Фиг.2. Следует отметить, что GaTe, выращенный по предлагаемому способу, также имеет однородную прозрачность в диапазоне длин волн 2,5-15 мкм, что подтверждается спектром светопропускания, представленном на Фиг.3. Прозрачность в инфракрасном диапазоне необходима для использования GaTe в нелинейной оптике.
Предлагаемые технологические параметры процесса выбраны экспериментально. При давлениях аргона ниже 95 атм в выращенных кристаллах отмечается присутствие моноклинной фазы. Увеличение давления свыше 105 атм нецелесообразно, так как не дает дополнительного эффекта, т.е. не приводит к изменению структурных или оптических характеристик материала. При скоростях движения зоны менее 9,5 мм/час в выращенных кристаллах отмечается присутствие моноклинной фазы, а при скоростях выше 10,3 мм/час в кристаллах возникают непроплавы, которые являются макродефектами, недопустимыми для практического применения GaTe.
Достигнутый результат - получение по предлагаемому способу монокристаллов GaTe, имеющих гексагональную структуру, может быть объяснен следующим. Теллурид галлия (II) имеет высокое давление собственных паров над расплавом, причем при температуре плавления GaTe пары диссоциируют. Это может приводить к отклонениям состава GaTe от стехиометрии, вызывающим переход кристаллов в моноклинную модификацию. Способствующими факторами являются большая поверхность испарения у расплава GaTe в процессе роста кристалла, низкие скорости кристаллизации, проведение процесса роста в вакууме или при низком давлении. Такие условия присутствуют в известных способах выращивания кристаллов GaTe, поэтому использование этих методик приводит к получению моноклинного теллурида галлия (II). В предлагаемом способе такие факторы устранены за счет того, что процесс проводится под высоким давлением инертного газа и при высоких скоростях кристаллизации. Важным является и применение вертикальной зонной плавки, позволяющей минимизировать поверхность испарения расплава. Микрорентгеноспектральный анализ кристаллов GaTe, выращенных по предлагаемому способу, подтверждает стехиометричность состава в пределах точности анализа.
Пример 1.
Кристалл GaTe выращивают вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 50 атм со скоростью движения зоны 5 мм/час. Получен кристалл, имеющий моноклинную структуру.
Пример 2.
Кристалл GaTe выращивают вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 90 атм со скоростью движения зоны 9 мм/час. Получен кристалл, содержащий как гексагональную, так и моноклинную фазу.
Пример 3.
Кристалл GaTe выращивают вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 105 атм со скоростью движения зоны 9,5 мм/час. Получен кристалл, имеющий гексагональную структуру.
Пример 4.
Кристалл GaTe выращивают вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 95 атм со скоростью движения зоны 10,3 мм/час. Получен кристалл, имеющий гексагональную структуру.
Пример 5.
Кристалл GaTe выращивают вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 120 атм со скоростью движения зоны 9,5 мм/час. Получен кристалл, имеющий гексагональную структуру. Не отмечено изменений характеристик материала по сравнению с кристаллами, выращенными в примерах 3 и 4, но существенно вырос расход аргона при проведении процесса.
Пример 6.
Кристалл GaTe выращивают вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 105 атм со скоростью движения зоны 10,5 мм/час. Получен кристалл, имеющий гексагональную структуру, но содержащий дефекты в виде непроплавов.
Способ получения монокристаллов теллурида галлия (II) из расплава в графитовых тиглях, отличающийся тем, что процесс проводится вертикальной зонной плавкой под давлением аргона 95-105 атм со скоростью движения зоны 9,5-10,3 мм/ч.
