способ получения шихты для выращивания монокристаллов строннигасита и стронтангасита со структурой галлогерманата кальция

Формула изобретения

Способ получения шихты для выращивания монокристаллов строннигасита и стронтангасита со структурой галлогерманата кальция методом твердофазного синтеза, включающий смешивание соединений элементов, входящих в состав формулы монокристалла, взятых в стехиометрическом соотношении, нагрев их и спекание, отличающийся тем, что в качестве исходной смеси соединений используют соответствующие оксиды, предварительно прошедшие термообработку, а спекание этой смеси проводят при температуре, составляющей 84-85% от температуры синтеза соответствующих кристаллов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии, а именно к технологии приготовления шихты для выращивания нового класса упорядоченных четырехкомпонентных соединений галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Ca₃Ga₂ Ge₄O₁₄).

Известен способ получения шихты для выращивания монокристаллов галлосиликатов со структурой лангасита путем нагрева смеси карбонатов щелочноземельных металлов и оксидов элементов, входящих в состав выращиваемого кристалла, взятых в стехиометрическом соотношении (В.Н.Т.Chai, A.N.P.Bustamante and M.C.Chou // A new class of ordered langasite structure compounds// 2000 IEEE/EIA International Frequency Control Symposium and Exhibition, p.163-167).

Однако использование в качестве одного из компонентов спекаемой смеси карбоната щелочноземельного металла, входящего в состав выращиваемого кристалла, требует более длительного процесса нагрева для его разложения, что, в свою очередь, увеличивает время проведения процесса, нарушает стехиометрический состав смеси, а следовательно, уменьшает выход конечного галлосиликата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения шихты для выращивания монокристаллов галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Ca₃ Ga₂Ge₄O₁₄) методом твердофазного синтеза, путем обжига на воздухе смеси исходных компонентов: карбонатов щелочноземельных компонентов и оксидов элементов, входящих в состав выращиваемого монокристалла при температуре синтеза соответствующего монокристалла в течение 5-12 часов (Б.В.Милль, Е.Л.Белоконева, Т.Фукуда // Новые соединения со структурой Ca ₃Ga₂Ge₄O₁₄: А ₃XY₃Z₂O₁₄ (А=Са, Sr, Ва, Рb; X=Sb, Nb, Ta; Y=Ga, Al, Fe, In; Z=Si, Ge // Журнал неорганической химии, 1998, том 43, №8, с.1270-1277).

Недостатком данного способа является использование в качестве одного из компонентов в спекаемой смеси карбоната щелочноземельного металла, для которого необходим длительный отжиг для его разложения, что увеличивает время спекания смеси, а следовательно, делает способ приготовления шихты экономически невыгодным. Увеличение времени отжига приводит к потере легколетучего компонента, что отражается на выходе конечного выращиваемого кристалла, снижая его качество. Спекание смеси при температуре синтеза приводит к расплавлению шихты и к взаимодействию расплава со стенками тигля, что загрязняет шихту, а, в свою очередь, и выращиваемый кристалл, а также приводит к разрушению тиглей и невозможности получения шихты в рациональном таблетированном виде.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание экономически выгодного способа получения шихты в компактном рациональном виде (в форме профилированных таблеток) для выращивания высококачественных монокристаллов галлосиликатов, используемых в пьезотехнике, а именно строннигасита (Sr₃NbGa ₃Si₂O₁₄) и стронтангасита (Sr ₃TaGa₃Si₂O₁₄).

Указанная техническая задача решается за счет того, что в известном способе твердофазного синтеза шихты, включающем смешивание исходных соединений элементов, входящих в состав формулы выращиваемых монокристаллов, взятых в стехиометрическом соотношении, нагрев их и спекание, выращиваемый монокристалл строннигасита или стронтангасита имеет состав Sr₃MeGa₃Si₂O₁₄ , где Ме-тантал или ниобий, в качестве исходной смеси соединений элементов используют соответствующие оксиды, предварительно прошедшие термообработку, а спекание этой смеси проводят при температуре, составляющей 84-85% от температуры синтеза соответствующих кристаллов.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве исходных соединений используют только оксиды элементов, входящих в состав галлосиликатов Sr₃MeGa₃ Si₂O₁₄, где Me-тантал или ниобий, которые перед смешиванием подвергают термической обработке, а спекание этой смеси проводят при температуре, составляющей 84-85% от температуры синтеза соответствующих кристаллов.

Использование в способе только оксидов позволяет избежать нарушение стехиометрии в расплаве при последующем выращивании монокристаллов за счет уменьшения длительности процесса отжига шихты, что снижает эффект потери легколетучего компонента, а следовательно, получить высококачественные монокристаллы.

Проведение термической обработки исходных оксидов также предотвращает нарушение стехиометрии расплава, а следовательно, обуславливает исключение выращивания некондиционных кристаллов.

Спекание смеси при температуре, составляющей 84-85% от температуры синтеза соответствующих кристаллов, позволяет предотвратить расплавление шихты, а следовательно, и ее взаимодействие со стенками тигля (п.1-4 таблицы).

Спекание смеси при температуре ниже указанной не позволяет получать шихту в компактном виде, а при более высокой температуре происходит ее прилипание к стенкам тигля (п.5, 6 таблицы).

Примеры конкретного выполнения.

Пример №1.

Исходные оксиды стронция - 36,8%, ниобия - 15,7%, галлия - 33,3% и кремния - 14,2% подвергают термической обработке, затем взвешивают в стехиометрическом соотношении и 245 г исходной смеси смешивают в полиэтиленовой банке с использованием смесителя типа "пьяной бочки", загружают в алундовый тигель, а именно в пространство между его внутренними стенками и алундовой трубкой, установленной в центральной части тигля. Диаметр алундового тигля был 60 мм, равный диаметру иридиевого тигля, из которого в дальнейшем выращивают монокристалл. Тигель устанавливают в печь и проводят спекание смеси при температуре, составляющей 84-85% от температуры синтеза строннигасита (Sr ₃NbGa₃Si₂O₁₄), а именно 1180°С.

В результате спекания получают профилированную таблетку шихты для выращивания монокристаллов стронций-ниобий-галлиевого силиката (Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄ - строннигасита) с отверстием вдоль ее оси. Из синтезированной шихты выращивают монокристаллы стронций-ниобий-галлиевого силиката диаметром 1,5 дюйма.

Спекание трех навесок исходной смеси оксидов, массой 245 г каждая, позволяет получить три профилированных таблетки шихты, общий вес которых дает возможность наплавить полный объем иридиевого тигля за два приема, из которого в дальнейшем будет выращиваться монокристалл.

Пример №2

То же что и в примере 1, но в качестве исходных компонентов берут оксиды стронция - 33,3%, тантала - 23,7%, галлия - 30,1% и кремния - 12,9%, а спекание смеси оксидов проводят при температуре, составляющей 84-85% от температуры синтеза стронтангасита (Sr₃ТаGa ₃Si₂O₁₄), а именно 1260°С.

В результате проведенного идентичного способа получают качественную поликристаллическую шихту в таблетированном виде для выращивания монокристаллов стронций-тантал-галлиевого силиката (Sr₃ТаGа₃Si₂O₁₄ - STGS-стронтангасита) диаметром 1,5 дюйма.

Предложенный способ получения шихты для выращивания галлосиликатов со структурой галлогерманата кальция (Ca₃Ga₂Ge₄ O₁₄), а именно строннигасита и стронтангасита позволяет:

- сократить количество предварительных операций;

- получить профилированные таблетки качественной шихты необходимой массы и размеров для заполнения всего объема иридиевого тигля при выращивании из него монокристалла;

избежать нарушения стехиометрии расплава, так как синтезированные таблетки полностью используются при направлении их в тигель, а следовательно, получать однородные по своему составу монокристаллы для использования в пьезотехнике.