способ выращивания монокристаллов хризоберилла, активированных ионами трехвалентного титана

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ХРИЗОБЕРИЛЛА, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ ТРЕХВАЛЕНТНОГО ТИТАНА, включающий плавление исходных компонентов, затравливание на вращающуюся затравку и вытягивание монокристалла в атмосфере водородсодержащей газовой смеси, отличающийся тем, что затравливание проводят в атмосфере инертного газа, затем подают водород и продолжают вытягивание.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения монокристаллов активированного титаном хризоберилла (BeAl₂O₄:Ti³⁺⁾, используемых для изготовления лазерных элементов, вставок ювелирных изделий.

Известно, что увеличение содержания активирующего иона в матрице монокристалла приводит к повышению КПД твердотельного лазера, улучшению насыщенности и игры цвета вставок из этого материала.

Наиболее близким к изобретению является способ получения монокристаллов активированного хризоберилла, в частности ионами Ti³⁺, методом Чохральского, включающий направление исходного материала в тигель в атмосфере водорода, азота, аргона или их смеси, затравление на вращающуюся затравку, разращивание конуса монокристалла до заданного диаметра и вытягивание цилиндрической части монокристалла.

Однако при выращивании монокристалла хризоберилла данным способом содержание ионов Ti³⁺ в расплаве мало, поэтому и содержание Ti³⁺ в выращенном монокристалле не превышает 0,5 ат. Увеличение концентрации активатора выше 0,5 ат. приводит к ухудшению оптического качества кристаллов, так как в решетку хризоберилла вместе с ионами Ti³⁺ входят ионы Ti⁴⁺. Ионы титана в оксидных расплавах в инертной атмосфере имеют в основном валентность +4. Большая суммарная концентрация Ti³⁺ и Ti⁴⁺ приводит к ухудшению качества монокристаллов.

Целью изобретения является увеличение концентрации ионов Ti³⁺ в монокристалле хризоберилла до 1,5 ат. при сохранении оптического качества кристаллов.

Цель достигается тем, что после наплавления исходного материала в тигель в инертной атмосфере и затравления на вращающуюся со скоростью 40-60 об/мин затравку в атмосферу добавляют водород в количестве не менее 1/20 объема инертного газа, осуществляют разращивание конуса до заданного диаметра и вытягивание цилиндрической части монокристалла со скоростью 0,5-2 мм/ч.

Известный прим выращивания из оксидных расплавов монокристаллов, активированных ионами трехвалентного титана, в том числе и кристаллов хризоберилла, в атмосфере инертного газа с добавлением водорода в количестве 1/20 объема инертного газа, при котором происходит дополнительный переход ионов Ti⁴⁺, находящихся в расплаве, в Ti³⁺, для выращивания кристаллов хризоберилла с высоким содержанием Ti³⁺ непосредственно не может быть использован. Это можно объяснить тем, что при температуре затравления на поверхности расплава в атмосфере инертного газа с добавлением водорода появляется пленка из высокотемпературного соединения. Формула соединения неизвестна, но пленка появляется при любой степени очистки исходного материала, сосредотачивается в центре тигля, и ее размер растет при увеличении количества TiO₂ в расплаве. Пленка блокирует затравку, и вместе монокристалла растет поликристалл.

В предлагаемом способе затравление на вращающуюся затравку проводят в инертной атмосфере, при этом пленка не образуется. Экспериментально установлено, что при этом образуется устойчивое гидродинамическое течение расплава. После подачи водорода пленка, образующаяся на поверхности расплава, отбрасывается от фронта кристаллизации вращением кристалла.

П р и м е р 1. Выращивание осуществляют на ростовой установке "Кристалл-603" с высокочастотным нагревом в иридиевых тиглях диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Исходные материалы расплавляются в тигле, в атмосфере аргона проводят затравление на вращающуюся со скоростью 40-60 об/мин затравку из хризоберилла размером 4х4х20 мм. После этого подают в камеру роста водород при соотношении Ar:H₂20:1, осуществляют разращивание конусной части до диаметра 30 мм и вытягивание со скоростью 0,5-2 мм/ч цилиндрической части монокристалла. Выращен кристалл BeAl₂O₄:Ti³⁺ диаметром 30 мм и длиной 50 мм с концентрацией Ti³⁺ до 1,5 ат. без пузырей и видимых включений, оптическое качество которого удовлетворяет требованиям, предъявляемым к лазерным элементам.

П р и м е р 2. Режимные условия роста как в примере 1, но затравление проводят в атмосфере Ar:H₂ 20:1. Получен поликристалл, так как пленка, образовавшаяся на поверхности расплава в момент касания блокирует затравку.

Таким образом, выращивание монокристаллов хризоберилла предлагаемым способом обеспечивает увеличение концентрации активатора Ti³⁺ в матрице по сравнению с известными способами с 0,5-1,0 до 1,5 ат. с обеспечением оптического качества.