Спосіб вирощування кристалів твердих розчинів сурма-вісмут з регульованим неоднорідним розподілом вісмуту уздовж кристала

1. Спосіб вирощування кристалів твердих розчинів сурма-вісмут з регульованим неоднорідним розподілом вісмуту уздовж кристала, який полягає у тому, що живлення розплаву здійснюють шляхом введення в розплав зливка підживлення, який відрізняється тим, що зливок вісмуту вводять у розплав сурми зі швидкістю від 0,1 до 0,3 мм/хв, при цьому рівень розплаву в тиглі не змінюють, а температуру на фронті кристалізації в процесі росту зменшують від 630 до 417 С 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що підтримання постійного рівня в процесі росту кристала та введення живильного зливка здійснюють перетіканням надлишкової частини розплаву із внутрішнього тигля в зовнішній. Корисна модель відноситься до технології вирощування кристалів сплавів сурма - вісмут (Sb-Bi) з регульованим неоднорідним розподілом вісмуту уздовж злитка і може бути використана для одержання градієнтних кристалів даних сплавів і виготовлення на їх основі монохроматорів рентгенівського випромінювання. Відомо спосіб вирощування кристалів твердих розчинів вісмут-сурма з неоднорідним розподілом компонентів уздовж кристала, що одержав назву "метод градієнтної проекції", який полягає в тому, що керування процесом росту кристала проводять за допомогою зміни температури, градієнту температури уздовж зливку і швидкості переміщення нагрівача. Спосіб може бути використаний для вирощування кристалів подвійних і потрійних сплавів, що утворять безперервний ряд твердих розчинів. Даний спосіб, був уперше використаний для одержання градієнтних кристалів твердих розчинів GaSb-lnSb [1]. Пізніше він був застосований для вирощування кристалів сплавів вісмут-сурма (Bi-Sb) [2]. Недоліками відомого способу є низька швидкість росту і складність керування процесом росту і контролювання складу розплаву. Відомо також спосіб [3] вирощування градієнтних кристалів твердих розчинів вісмут-сурма методом Чохральского з підживленням розплаву твердою сурмою, який полягає в тому, що при витягуванні кристалів вміст сурми в злитку збільшують до 18ат.% уздовж його довжини, що дорівнює 10мм. Для цього живильний злиток сурми (Sb) постійного перетину вводять в розплав вісмуту з перемінною швидкістю, що дозволяє одержати лінійний розподіл компонентів по довжині градієнтних кристалів. Температуру на фронті кристалізації при вирощуванні кристалів сплавів вісмут-сурма збільшують відповідно до відомої діаграми стану твердих розчинів Bi-Sb. Цей спосіб обрано за прототип. Недоліком відомого способу є те, що він не забезпечує постійного рівня розплаву в тиглі при уведенні великого об'єму вісмуту, що необхідно при рості кристалів сплавів сурма-вісмут з неоднорідним розподілом вісмуту уздовж злитка. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу вирощування кристалів сплавів сурма-вісмут з неоднорідним розподілом вісмуту уздовж злитка шляхом уведення підживлення і зміни концентрації, вісмуту в рідкій фазі при підтримці постійного рівня в розплаві, що дозволяє одержувати кристали з перемінним вмістом вісмуту до 18ат.%. Таким чином, змінюючи концентрацію вісмуту в рідкій фазі, можливо досягти заданого розподілу вісмуту уздовж злитка і одержання кристалів з меншими структурними вадами. CD (О 6610 Поставлена задача досягається тим, що в способі вирощування кристалів сплавів сурмавісмут з регульованим неоднорідним розподілом вісмуту уздовж кристала, який полягає в тому, що живлення розплаву здійснюють шляхом введення в розплав зливка підживлення, згідно винаходу, розплав сурми підживлюють злитком вісмуту зі швидкістю від 0,1 до 0,Змм/хв, при цьому концентрацію вісмуту в розплаві збільшують до 65,93ат.%, а температуру на фронті кристалізації зменшують від 630 до 417°С відповідно. Підтримання постійного рівня в процесі росту кристала та введення живильного злитка здійснюють перетіканням надлишкової частини розплаву із внутрішнього тигля в зовнішній. Використання даного способу дозволяє одержати кристали сплавів сурма-вісмут з перемінною концентрацією вісмуту до 18ат.%/см у кристалі уздовж довжини злитка і зміною параметрів кристалічної решітки до 1%/см відповідно. Суть корисної моделі пояснюється рисунком, де зображено пристрій для здійснення способу, який містить тепловий вузол 1, розташований на металевій основі 2. У середині основи 2 розміщена графітова підставка 3 під зовнішній тигель 4. У середині зовнішнього тигля 4 знаходиться графітова підставка 5 під внутрішній тигель 6, у якому знаходиться розплав 7. Підживлення розплаву здійснюється за допомогою злитка підживлення 8, температурний баланс якого утримується нагрівачем 9. Надлишок розплаву перетікає з внутрішнього тигля 6 у зовнішній тигель 4 через канал 10. Витягування кристала 11 проводиться на затравку 12, яка розміщена у графітовому патроні 13. Температура процесу контролюється термопарою 14. Спосіб здійснюється наступним чином. Шихту, що містить сурму високої чистоти (99,9999%) завантажують у внутрішній тигель 6, який знаходиться на графітовій підставці 5. Розплавлення шихти проводять за допомогою теплового вузла 1, розташованого на металевій вого вузла 1, розташованого на металевій основі 2. Вирощування кристала 11 проводять на затравку 12, яка розміщена у графітовому патроні 13. Розрощення кристала 11 проводять до діаметра 10мм зі швидкістю вирощування 0,05мм/хв. Після розрощення, у розплав 7 уводять злиток підживлення 8 вісмуту зі швидкістю, що дорівнює від 0,1 до 0,Змм/хв. Швидкість витягування кристала зменшують до 0,01 мм/хв. При цьому швидкість обертання затравки 12 не змінюється і складає 10об/хв. Діаметр злитка підживлення 8 складає 15мм. Утримання температурного баланса злитка 8 вісмуту здійснюється нагрівачем 9. Внаслідок великого обкому підживлення, що вводиться, підтримання постійного рівня в процесі росту кристала та введення злитка підживлення 8 здійснюють перетіканням надлишкової частини розплаву 7 через канал 10 із внутрішнього тигля 6 в зовнішній тигель 4. Підживлення злитком 8 вісмуту здійснюється відповідно до розрахунків, наведених у таблиці. Виконання, всіх перерахованих умов дозволяє одержувати кристали сплавів сурма-вісмут зі зміною концентрації вісмуту до 18ат.%/см. Запропонований спосіб виконаний у лабораторних умовах. У проведених дослідженнях розраховані значення збігаються з експериментальними значеннями розподілу вісмуту уздовж вирощеного кристала. Спосіб вирощування кристалів твердих розчинів сурма - вісмут з регульованим неоднорідним розподілом вісмуту уздовж кристала, що пропонується в порівнянні зі способом - прототипом має наступні переваги: - дозволяє в процесі росту рівень розплаву в тиглі підтримувати постійним; - дає можливість вводити в розплав великий об'єм підживлення; - дозволяє, одержувати кристали сплавів сурмавісмут з перемінним змістом вісмуту уздовж злитка. Таблиця КонцентраМаса Концентра- Довжина Маса сурми у ція вісмуту у ція вісмута у вирощеного кристала, твердій рідкій фазі кристалі кристала, мм г фазі, г (Б/Д) 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2 0 0,55 1,1 1,65 2,2 2,75 3,3 3,85 4,4 4,95 5,5 6,05 6,6 3 0 0,106318 0,196613 0,280236 0,338352 0,397187 0,445376 0,491633 0,533163 3,56439 0,602549 3,63142 0,659792 4 0,17928 0,36022 0,5428 0,727 0,91279 1,10016 1,28907 1,47952 1,67147 1,85491 2,05982 2,25618 2,45397 5 0,1793 0,3556 0,5287 0,699 0,8663 1,0306 1,1924 1,3512 1,5072 1,6605 1,8111 1,9591 2,1044 Довжина Маса введенної у Маса Маса віс- Маса вісмуту розплав розмута у введеної у тверчастини плаву, розплаві, у розплав дій фазі, живильг г вісмуту, г г ного зливка, мм 6 7 8 9 10 0 60 0 0 0 0,0047 62,334 6,6272 7,1004 4,605 0,0141 64,463 12,674 14,5685 9,448 0,028 66,569 18,655 23,1165 14,99 19,64 0,0465 68,115 23,047 30,2861 0,0694 69,756 27,706 38,9236 25,24 0,0967 71,16 31,693 47,3205 30,69 0,1283 72,562 35,674 56,8465 36,87 0,1642 73,868 39,384 L 66,9675 43,43 0,2044 74,882 42,263 75,7909 49,15 0,2487 75,159 45,889 88,4648 57,37 0,2971 77,154 48,717 99,7278 64,67 112,631 73,04 0,3495 78,159 51,568 6610 Продовження таблиці 1 13 14 15 16 17 18 2 7,15 7,7 8,25 8,3 9,35 9,9 3 0,685869 3,70367 0,723918 0,744633 0,752085 0,768288 4 2,65317 2,85376 3,05573 3,25906 3,45372 3,65971 5 2,2472 2,3814 2,525 2,6602 2,7929 2,9232 Джерела інформації: 1. Gille P., Hollantz M., Klessen H., Schenk M. Axially linear slopes of composition for "delta" crystals // J. Crystal Growth. - 1994, V.139, P. 165-171. 2. Penzel St., Neumann W. Growth of Bi-Sb gradient crystals for X-ray monochromators // J. Crystal Growth. - 1999, V.198/199/P.811-814. Комп'ютерна верстка В. Мацело 6 0,406 0,4664 0,5307 0,5989 0,6708 0,7465 7 79,105 79,764 80,527 81,323 81,614 82,252 8 54,255 56,127 58,295 60,556 61,38 63,193 9 126,502 137,274 151,237 167,798 174,217 189,996 10 82,04 89,02 98,08 103,8 113 123,2 3. Наливкин М.А. Получение и исследование условий выращивания градиентных кристаллов твердых растворов висмут-сурма: Дис. ... канд. тех. наук. - Луганск, 2003. - 153с. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 4 2 , 01601