Способ выращивания монодоменных кристаллов ниобата лития из расплава

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<>958508

Союз Советских

Социалистических

Республик (89) 141247 (ГДР) (61) Дополнительный к авт. свид-ву-! (22) Заявлено 240378 (21) 7770138/23-26

3 (51) М. Кл.

С 30 В 15/00

С 30 В 29/30 (23) Приоритет — (32) 2104-77 (31) MP В 01 J/198515 (33) ГДР

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 315. .592(088.8) Опубликовано 1509.82, Бюллетень№ 34

Дата опубликования описания 1509.82 (71) Заявитель

Иностранное предприятие

"Карл-Цейс-Йена" (ГДР) (54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ОДНОДОМЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ

HNO5ATA ЛИТИЯ ИЗ РАСПЛАВА

Изобретение касается метода выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплава методом Чохральского.

Под ниобатом лития понимают как стехиометрический ниобат лития (LiNb0g) с соотношением L 2 О/Nbz 0в

50:50 мольных процентов, так и нестехиометрические составы кристаллов с долей 48-51 мольных процентов Li 0.

На основе их ферроэлектрического характера однодоменные кристаллы ниобата лития из-за их сильного взаимодействия с электромагнитными полями отличаются исключительными электрооптическими и нелинейными оптическими свойствами ° Кроме того, ниобат лития имеет очень хорошие пьезоэлектрические коэффициенты. В связи с очень хорошим спектральным коэффициентом пропускания 0,4-4,5 мкм конструктивные элементы из однодоменного ниобата лития представляют собой очень большой интерес для приме- 25 нения во многих оптических приборах для амплитудной, фазовой или частотной модуляции электромагнитного излучения, в качестве умножителей частоты или параметрических осцилляторов.

Известно, что на основе метода

Чохральского можно выращивать кристаллы ниобата лития из расплава, а полученные таким методом кристаллы имеют мультидоменную структуру. Под доменами понимаются области с различным направлением электрической поляризации, спонтанно устанавливающейся в ферроэлектрических материалах.

Границы доменов являются причиной значительного воздействия на оптические свойства, например вследствие рассеивания света. Поэтому большой интерес представляет устранение этих структурных дефектов и изготовление больших, однодоменных, оптически однородных кристаллов. Однако условия, при которых кристаллы ниобата лития выращиваются из расплавов, оказывают сильное воздействие на доменную структуру.

По этой причине реализация однодоменности связана с дополнительными технико-технологическими мероприятиями для известных способов выращивания °

Однодоменные кристаллы ниобата лития выращивают из расплавов по методу Чохральского во внешнем элек958508

4 трическом поле (поляризация) . Для этого во время процесса выращивания через поверхность раздела между выращиваемым кристаллом и расплавом пропускается ток, и уже выращенный кристалл также подвергается воздействию 5 этого тока в диапазоне 1000-1200 С, т.е. вблизи точки Кюри (1210 С).

Известен вариант метода Чохральского для поляризации кристаллов ниобата лития, при котором уже выра- 10 щенные монодоменные кристаллы ниобата лития подвергают отжигу в электрическом поле п >и 1000-1200 С. Обе эти известные возможности для получения однодоменной структуры в кристаллах ниобата лития могут применяться комбинированно в двухэтапном процессе. К современному уровню техники также относятся методы, при которых в расплавы добавляются примеси, например 0,1-5 атомных процентов окиси молибдена или окиси вольфрама (ИоО, WO>)относительно содержания ниобия, с тем, чтобы при соблюдении точно определенных условий выращивания и при применении особо чистых исходных веществ получить однодоменные кристаллы ниобата лития.

Известны также попытки получения однодоменной структуры кристаллов ниобата лития с помощью специальных 30 допусков ориентации затравочных кристаллов относительно кристаллографических осей, причем для стабилизации однодоменности используют также комбинации с приведенными выше 35 методами.

Кроме того, известен метод поддержания электрического короткого замыкания между затравочным кристаллом и расплавом или платиновым тигелем 40 с помощью используемого для разогревания исходной смеси омического нагрева, чтобы обеспечить таким образом однодоменность растущих кристаллов без воздействия внешнего электричес- 45 кого поля. Для этого затравочный кристалл в его фиксирующем устройстве электрически соединен с платиновым тигелем через шток вытягивания кристалла.

1 недостаток всех известных методов 50 заключается в том, что требуются значительные дополнительные техникотехнологические затраты, что усложняет технологию выращивания и, кроме того, отрицательно сказывается на качестве кристаллов. Так, например, при поляризации имеет место повышенная опасность разрушения кристаллов. у катода, которая часто связана с неустраняемым полностью окрашиванием. 60

Другое отрицательное воздействие на свойства кристаллов ниобата лития обусловлено опасностью диффундирования материала электродов, в особенности со стороны анода, а считавшие- 65 ся до сих пор обязательными специальные кристаллографические допуски ориентации обуславливают дополнительное усложнение.

Кроме того, несмотря на дополнительное усложнение технологии и аппаратуры внутри кристаллов более или менее значительные области разделены доменными границами, в результате чего сильно ограничен полезный объем кристаллов ниобата лития.

Цель изобретения — достижение возможности реализации однодоменности при отказе при этом от считавшегося до сих пор необходимым дополнительного усложнения аппаратуры.

Кроме того, однодоменность должна быть обеспечена по всей полезной длине кристалла в течение всего процесса выращивания, а также в готовом кристалле ниобата лития.

Исходя из метода выращивания кристаллов по методу Чохральского, задачей данного изобретения является указание простого метода для выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплава.

В основу изобретения положен тот факт, что мероприятия для реализации однодоменной структуры по известным до сих пор методам и дополнительные мероприятия не только усложняют процесс выращивания кристаллов ниобата лития, но также могут отрицательно сказываться на качестве кристаллов, например в отношении оптической однородности и пропускания. Кроме того, однодоменность обеспечивается не по всей полезной длине кристаллов.

Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что в противоположность к до сих пор распространенной теории однодоменные кристаллы ниобата лития могут выращиваться длиной не менее 75-80 мм и 25-30 мм без дополнительных усложнений аппаратуры и технологии из расплавов на основе метода Чохральского. Выбор атмосферы, в которой производится выращивание, при этом не оказывает влияния на доменную структуру.

Цель достигается тем, согласно методу выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплавов с помощью затравочного кристалла, который с незначительными зажимом и напряжением закреплен в держателе, соединенном с штоком вытягивания кристалла при его непрерывном и одновременном подъеме и вращении, держатель является неэлектропроводным, а кристалл ниобата лития с однодоменной структурой выращивают без воздействия внешнего электрического поля и с исключением внешних коротких замыканий между затравочкым кристаллом и расплавом или материалом металлического тигеля.

958508

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа.

Используется метод выращивания кристаллов Чохральского . В тигле 1 из благородного металла (например Pt), который для создания равномерного теплораспределения и термической изоляции помещен в керамическую оболочку 2, находится расплав 3 ниобата лития с температурой 5-10 С свыше точки плавления (T.ïë. 1253 С). Разог-10 рев расплава 3 тигля 1 производится высокочастотным индукционным или омическим нагревателем 4.

Сориентированный затравочный кристалл 5 устанавливают в держате- 15 ле 6, который состоит из гильзы 7 из устойчивых к высоким температурам металлов или сплавов и стержня 8 из непроводящей керамики, устойчивой к высоким температурам, диаметром ур

5-15 мм и длиной 150-250 мм. Для этого затравочный кристалл 5 крепят в гильзе 7 держателя с очень малым зажиманием и напряжением. Гильза 7, в свою очередь, с помощью штыкового присоединения крепится к непроводящему керамическому стержню 8, который соединен с непоказанным на чертеже штоком для вытягивания.

Поляризация и ориентация с-затравочного кристалла 5 являются некритическими.

После погружения затравочного кристалла 5 на несколько миллиметров в расплав 3 ниобата лития кристалл

9 ниобата лития выращивается при пос- З5 тоянном вращении (5-30 об/мин) и одновременном подъеме движения в вертикальном направлении (1-5 мм/ч).

Вращение и подъемное движение обоз. начаны стрелками 16 и 17. Сначала на 40 поверхности раздела 13 между кристаллом 9 и расплавом 3 при непрерывной кристаллизации возникает параэлектрическая зона 10 растущего кристалла 9.

Высвобождающееся при кристаллизации 45 тепло в основном отводится растущим. кристаллом 9, так как любое дополнительное охлаждение кристалла 9 и фиксатора держателя 6 предотвращается.

В процессе роста кристалла в соот- 5р ветствии с условиями выращивания и характеристиками аппаратуры Чохральского образуется вертикальный температурный градиент в растущем кристалле 9, который в случае ниобата лития приводит к тому, что из первоначально параэлектрической зоны 10 при прохождении уровня 11 с температурой точки Кюри (1210ОС) образуется ферроэлектрическая зона 12 при формировании и непрерывном сохранении однодоменной структуры.

Высота границы 11 между параэлектрической и ферроэлектрической зонами (уровень с температурой точки Кюри) над поверхностью 14 расплава ориентируется на величину вертикального температурного градиента, дополнительное воздействие на который можно оказывать нагревателем 15. Так, например, эта граничная зона 11 при вертикальном температурном градиенте

10-50 С/см лежит на высоте 40-10 мм над поверхностью 14 расплава 3.

После окончания выращивания кристалл оплавляется и охлаждается до комнатной температуры. например сначала со скоростью 10-50 С/ч, позднее— быстрее, так, что после 10-20 ч достигается комнатная температура.

В результате такой методики выращивания всегда получаются однодоменные кристаллы, (+)-полярность которых направлена к зародышу, а (-)-полярность — к расплаву. Такая поляризация возникает сразу же после начала выращивания, если температура охлаждающегося кристалла не превышает точку Кюри (1210 C) и сохраняется во всем кристалле лишь когда неиспользуемый при применении кристалла поверхностный слой толщиной максиглум

0,5 мм после окончания выращивания, как при известном методе, имеет мультидоменную структуру. Выбор атмосферы выращивания для успеха предлагаемого метода значения не имеет.

Положенный в основу предлагаемого изобретения эффект объясняется тем, что электрически изолирующий держатель затравки, по-видимому, способствует стабилизации внутреннего электрического поля, под воздействием которого обеспечивается постоянная поляризация и тем самым однодоменность.в процессе выращивания.

Формула изобретения

Способ выращивания однодогленных кристаллов ниобата лития из расплава на затравочном кристалле, который с незначительным зажимом и напряжением закреплен на держателе, соединенном со штоком вытягивания кристалла, при его непрерывном и одновременном подъеме и вращении, о т— л и ч а ю шийся тем, что держатель является неэлектропроводным.

Признано изобретение по результатам экспертизы, осуществленной ведомством по изобретательству Германской Демократической Республики.

958508

О

О

О

О

О

Ц вЂ” (-)

Составитель В. Безбородова

Редактор М. Келемеш Техред T..Càíòà Корректор Г Огар

Заказ 6984/37 Тираж 371 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4