Способ выращивания монодоменных кристаллов ниобата лития из расплава

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет (31) ЯР В 01,3 тет осударствеииыи СССР по делам изобр и открытии198515 (33) ГДэ ий 3) УДК 621. 3 .592(088. о 15.09.82, Бюллетень34 публик ата опубликования описания 1509 ностранное предприяти(54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ОДНОДОМЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ ИЗ РАСПЛАВА5к н р 10о.о О 5 Изобретение касается метода выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплава методом Чохральского.Под ниобатом лития понимают ка стехиометрический ниобат лития (МЬО) с соотношением 2 0/МЬт 0 50:50 мольных процентов, так и нестехиометрические составы кристалл с долей 48-51 мольных процентовНа основе их ферроэлектрическог характера однодоменные кристаллы ниобата лития из-за их сильного взаимодействия с электромагнитными полями отличаются исключительными электрооптическими и нелинейными оптическими свойствамиКроме 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 применения 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 различ ым направлением электрической поляизации, спонтанно устанавливающейся в ферроэлектрических материалах.Границы доменов являются причиной значительного воздействия на оптичес кие 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 мероприятия ми для известных способов выращиванияОднодоменные кристаллы ниобаталития выращивают из расплавов пометоду Чохральского во внешнем электрическом 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 ухе выра щенные монодоменные кристаллы ниобата лития подвергают отжигу в электрическом поле пи 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 (МоО, ИО)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 4 с помощью используемого для разогревания исходной смеси омического нагрева, чтобы обеспечить таким образом однодоменность растущих кристаллов без воздействия внешнего электричес кого поля. Для этого затравочный кристалл в его фиксирующем устройстве электрически соединен с платиновым тигелем через шток вытягивания кристалла.УНедостаток всех известных методов 50 заключается в том, что требуются значительные дополнительные технико- технологические 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. 60Другое отрицательное воздействие на свойства кристаллов ниобата лития обусловлено опасностью диффундирования материала электродов, в особенности со стороны анода, а считавшие ся до сих пор обязательными специальные кристаллографические допускиориентации обуславливают дополнительное усложнение,Кроме того, несмотря на дополнительное усложнение технологии и аппаратуры внутри кристаллов более илименее значительные области разделеныдоменными границами, в результатечего сильно ограничен полезный объемкристаллов ниобата лития.Цель изобретения - достижениевозможности реализации однодоменности при отказе при этом от считавшегося до сих пор необходимым дополнительного усложнения аппаратуры.Кроме того, однодоменность должнабыть обеспечена по всей полезнойдлине кристалла в течение всего процесса выращивания, а также в готовомкристалле ниобата лития.Исходя из метода выращивания кристаллов по методу Чохральского, задачей данного изобретения является указание простого метода для выращивания однодоменных кристаллов ниобаталития из расплава.В основу изобретения положен тотфакт, что мероприятия для реализацииоднодоменной структуры по известнымдо сих пор методам и дополнительныемероприятия не только усложняют процесс выращивания кристаллов ниобаталития, но также могут отрицательносказываться на качестве кристаллов,например в отношении оптической однородности и пропускания. Кроме того,однодоменность обеспечивается не повсей полезной длине кристаллов.Существо предлагаемого изобретениязаключается в том, что в противоположность к до сих пор распространеннойтеории однодоменные кристаллы ниобаталития могут выращиваться длиной неменее 75-80 мм и25-30 мм без дополнительных усложнений аппаратуры итехнологии из расплавов на основеметода Чохральского. Выбор атмосферы, в которой производится выращивание, при этом не оказывает влиянияна доменную стРУктУРУ.Цель достигается тем, согласнометоду выращивания однодоменных кристаллов ниобата лития из расплавовс помощью затравочного кристалла,который с незначительными зажимом инапряжением закреплен в держателе,соединенном с штоком вытягиваниякристалла при его непрерывном и одновременном подъеме и вращении, держатель является неэлектропроводным,а кристалл ниобата лития с однодоменной структурой выращивают без воздействия внешнего электрического поля ис исключением внешних коротких замыканий между затравочкым кристалломи расплавом или материалом металлического тигеля.На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа.Используется метод выращивания кристаллов Чохральского, В тигле 1 из благородного металла (например Рк), 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 (Т.пл. 1253 С). Разогрев расплава 3 тигля 1 производится высокочастотным индукционным или омическим нагревателем 4.Сориентированный затравочный кристалл 5 устанавливают в держате 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 20 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- З 5 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 О 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 (1210 ОС) образуется ферроэлектрическая зона 12 при формировании и непрерывном сохране- О нии 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 ф 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 фС) 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 изобретенияСпособ 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 щ и й с я тем, что держатель является неэлектропроводным.Признано изобретение по результатам экспертизы, осуществленной ведомством по изобретательству Германской Демократической Республики.958508 0 Составитель В. БезбородоваКелемеш Техред Т,.фанта Ред о ректо ар Подписное За илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 4/37 Тираж ВНИИПИ Государствпо делам изобр 13035, Москва, Ж371нного комитета СССРтений и открытийРаушская наб., д, 4/