Способ выращивания монокристаллов натрий-висмутового молибдата
Владельцы патента RU 2556114:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области химической технологии выращивания кристаллов натрий-висмутового молибдата NaBi(MoO4)2 для исследования физических свойств и практического использования. Монокристаллы NaBi(MoO4)2 выращивают путем кристаллизации из высокотемпературного раствора в расплаве шихты, содержащей натрий-висмутовый молибдат и растворитель димолибдат натрия в соотношении, равном 10-30:90-70 мол.% соответственно, кристаллизацию ведут на затравку, ориентированную перпендикулярно грани дипирамиды [101], при вращении затравки со скоростью 15-30 об/мин и скорости вытягивания 1-5 мм/сутки, при постоянном охлаждении раствора-расплава со скоростью 0,5-15 град/сутки, при этом выращивание ведут в условиях низких градиентов ΔT/Δl менее 1 град/см в растворе-расплаве. Способ позволяет получать бесцветные, стехиометричные по структуре, крупные (размерами 75×30 мм), оптически однородные кристаллы NaBi(MoO4)2. 1 пр.
Изобретение относится к области химической технологии, а именно к выращиванию объемных, оптически однородных, стехиометричных по структуре, бесцветных кристаллов натрий-висмутового молибдата состава NaBi(MoO4)2.
Натрий-висмутовый молибдат NaBi(MoO4) кристаллизуется в тетрагональной сингонии (пр. гр. I41/a), плавится конгруэнтно при 860°C и может быть получен в виде объемных однородных кристаллов традиционным методом Чохральского из стехиометрического расплава. Известен способ получения однородных кристаллов NaBi(MoO4)2, плавящихся конгруэнтно из высокотемпературных расплавов (Моисеенко В.Н., Еременко A.M., Глинская Л.А., Богатырев Ю.И., Акимов С.В. // Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т.84, №2. - С.253-259).
Известен способ получения кристаллов натрий-висмутового молибдата путем кристаллизации из высокотемпературного раствора - расплава шихты, содержащей натрий-висмутовый молибдат и растворитель димолибдат натрия (Yuriy Hizhnyi et al. Electronic Structure and Luminescence Spectroscopy of M′Bi(MoO4)4 (M′ = Li, Na, K), LiY(MoO4)2 and Na Fe(MoO4)2 Moliybdates., «Solid State Phenomena)), April 2013, vol.200, p.p. 114-122), выбранный в качестве прототипа. Монокристаллы NaBi(MoO4)2 для исследований физических характеристик получают кристаллизацией традиционным методом Чохральского. Указанным способом получают объемные, пригодные для исследования физических свойств, но непригодные для практического применения, из-за наличия структурных дефектов.
Задачей изобретения является получение бесцветных, стехиометричных по структуре кристаллов натрий-висмутового молибдата с техническим результатом - увеличение размеров бесцветных, стехиометричных по структуре кристаллов натрий-висмутового молибдата при сохранении их высокого оптического качества.
Поставленная задача достигается тем, что стехиометричные по структуре, бесцветные кристаллы натрий-висмутового молибдата NaBi(MoO4)2 выращивают путем кристаллизации из высокотемпературного раствора в расплаве шихты, содержащей натрий-висмутовый молибдат и растворитель димолибдат натрия NaBi(MoO4)2, при соотношении натрий-висмутового молибдата к димолибдату натрия, равном 10-30:90-70 мол.% соответственно, кристаллизацию ведут на затравку, ориентированную перпендикулярно грани дипирамиды [101], при вращении затравки со скоростью 15-30 об/мин и скорости вытягивания 1-5 мм/сутки, при постоянном охлаждении раствора-расплава со скоростью 0,5-1,5 град/сутки, при этом выращивание ведут в условиях низких градиентов ΔT/Δl менее 1 град/см в растворе-расплаве.
Отличительными признаками предлагаемого способа от прототипа являются условия проведения процесса, а именно:
- соотношение натрий-висмутового молибдата и димолибдата натрия 10-30:90-70 мол.%;
- кристаллизация на затравку, ориентированную перпендикулярно грани дипирамиды [101];
- выращивание ведут в условиях низких градиентов ΔT/Δl менее 1 град/см в растворе-расплаве;
- вращение затравки со скоростью 15-30 об/мин;
- скорости вытягивания 1-5 мм/сутки, при постоянном охлаждении раствора-расплава со скоростью 0,5-1,5 град/сутки.
Использование таких параметров позволяет получать бесцветные, стехиометричные по структуре, крупные, оптически однородные монокристаллы натрий-висмутового молибдата NaBi(MoO4)2.
Оптимальные условия роста кристаллов: мольное соотношение компонентов шихты, а именно NaBi(MoO4)2 и димолибдатата натрия Na2Mo2O7, равное 10-30:90-70 мол.%. Выбор данного мольного соотношения компонентов системы обусловлен наилучшим условием роста стехиометричных по составу кристаллов NaBi(MoO4)2. Основными преимуществами выбранного состава шихты является то, что растворитель и растворяемое вещество в жидком состоянии смешиваются неограниченно, а в твердом - не образуют твердых растворов. Выбранный растворитель имеет одноименный ион с кристаллизуемым веществом. Вязкость растворителя небольшая; упругость паров растворителя низкая.
Ориентация затравки перпендикулярно грани дипирамиды [101] исключает образование в кристалле в процессе роста включений второй фазы и обеспечивает при данных условиях образование наиболее однородных кристаллов по сравнению с другими кристаллографическими ориентациями. Вращение затравки с заданной скоростью (15-30 об/мин) способствует равномерному росту, т.к. позволяет осуществлять полное перемешивание раствора-расплава в процессе выращивания кристалла.
Скорость вытягивания затравки 1-5 мм/сутки обусловлена тем, что вытягивание затравки при выращивании кристалла со скоростью большей чем 5 мм/сутки не соответствует скорости устойчивого однородного роста кристалла в данных условиях. Снижение скорости вытягивания меньше 1 мм/сутки нецелесообразно, так как приводит к увеличению времени процесса.
Охлаждение расплава со скоростью 0.5 град/сутки обусловлено тем, что уменьшение скорости охлаждения ниже 0.5 град/сутки в начале процесса приводит к уменьшению массовой скорости кристаллизации, уменьшению размеров выращиваемого кристалла и увеличению времени процесса. Увеличение скорости охлаждения выше 1.5 град/сутки приводит к образованию концентрационного переохлаждения и, как следствие, захвату растворителя, образованию блоков и других дефектов. При данной скорости охлаждения массовая скорость кристаллизации равна 0.1-1.5 г/сутки.
Процесс протекает при небольшом температурном градиенте в растворе-расплаве (ΔT/Δl менее 1 град/см), что позволяет получить однородные, ненапряженные и крупные кристаллы.
Пример типичный.
В платиновый тигель диаметром 80 мм и высотой 150 мм помещают смесь соединений NaBi(MoO4)2 (натрий-висмутовый молибдат) стехиометрического состава из компонентов Na2CO3, Bi2O3, MoO3, и расплав димолибдатата натрия Na2Mo2O7; при этом NaBi(MoO4)2 составляет 300 г, а Na2Mo2O7 - 443.8 г, что соответствует концентрации раствора-расплава 30 мол. % NaBi(MoO4)2 - 70 мол. % димолибдатата натрия Na2Mo2O7. Смесь расплавляют при 795°C на воздухе в резистивной печи установки для выращивания кристаллов. Для гомогенизации раствор-расплав перемешивают платиновой мешалкой, затем температуру понижают до точки равновесия кристалла с раствором-расплавом для данной концентрации NaBi(MoO4)2 (температура ниже на 2°C от температуры плавления расплава) и к поверхности расплава подводят вращающуюся со скоростью 20 об/мин затравку, ориентированную перпендикулярно грани дипирамиды [101].
После установления температуры, при которой наблюдается начало заметного роста затравки, осуществляют вытягивание затравки со скоростью 5 мм/сутки, одновременно понижают температуру раствора-расплава с начальной скоростью охлаждения 0.5 град/сутки.
В процессе выращивания при увеличении массы кристалла скорость охлаждения плавно увеличивают от 0.5 до 1.5 град/сутки.
За 16 суток вырастает монокристалл натрий-висмутового молибдата оптического качества весом 150 г, размерами: длиной (конус + цилиндр) до 75 мм и диаметром до 30 мм.
По окончании процесса выращивания кристалл отделяют от раствора-расплава и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 20 град/ч.
При выращивании кристаллов из раствора-расплава с концентрацией от 30 до 10 мол. % NaBi(MoO4)2 (натрий-висмутовый молибдат) и от 70 до 90 мол.% Na2MO2O7 (димолибдат натрия) параметры процесса выращивания и объем кристаллов не меняются при сохранении высокого оптического качества.
Оптическое качество выращенных кристаллов определяют под микроскопом визуально. В кристалле отсутствуют включения другой фазы, не выявлены блоки и другие дефекты.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить бесцветные, стехиометричные по структуре, оптически однородные кристаллы натрий-висмутового молибдата, NaBi(MoO4)2, не содержащие включений, блоков и трещин, размерами 75×30 мм, достаточными для исследования физических свойств и практического использования.
5 мм/сутки, одновременно понижают температуру раствора-расплава с начальной скоростью охлаждения 0.5 град/сутки.
В процессе выращивания при увеличении массы кристалла скорость охлаждения плавно увеличивают от 0.5 до 1.5 град/сутки.
За 16 суток вырастает монокристалл натрий-висмутового молибдата оптического качества весом 150 г, размерами: длиной (конус + цилиндр) до 75 мм и диаметром до 30 мм.
По окончании процесса выращивания кристалл отделяют от раствора-расплава и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 20 град/час.
При выращивании кристаллов из раствора-расплава с концентрацией от 30 до 10 мол.% NaBi(MoO4)2 (натрий-висмутовый молибдат) и от 70 до 90 мол.% Na2Mo2O7 (димолибдат натрия) параметры процесса выращивания и объем кристаллов не меняются при сохранении высокого оптического качества.
Оптическое качество выращенных кристаллов определяют под микроскопом визуально. В кристалле отсутствуют включения другой фазы, не выявлены блоки и другие дефекты.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить бесцветные, стехиометричные по структуре, оптически однородные кристаллы натрий-висмутового молибдата, NaBi(MoO4)2, не содержащие включений, блоков и трещин, размерами 75×30 мм, достаточными для исследования физических свойств и практического использования.
Способ выращивания монокристаллов натрий-висмутового молибдата, NaBi(MoO4)2, путем кристаллизации из высокотемпературного раствора в расплаве шихты, содержащей натрий-висмутовый молибдат и растворитель димолибдат натрия, отличающийся тем, что натрий-висмутовый молибдат и димолибдат натрия берут в соотношении, равном 10-30:90-70 мол. %, соответственно, кристаллизацию ведут на затравку, ориентированную перпендикулярно грани дипирамиды [101], при вращении затравки со скоростью 15-30 об/мин и скорости вытягивания 1-5 мм/сутки, при постоянном охлаждении раствора-расплава со скоростью 0,5-15 град/сутки, при этом выращивание ведут в условиях низких градиентов ΔT/Δl менее 1 град/см в растворе-расплаве.
