Спосіб вирощування кристалів binbo4

Реферат: Винахід стосується технології отримання кристалів BiNbO4 і може бути застосованим для створення робочих елементів функціональної електроніки. Спосіб вирощування кристалів BiNbO4, який включає приготування шихти із стехіометричної суміші оксидів, її плавлення при температурі ~1300 °С протягом 1-2 годин, Вирощування кристалів здійснюють шляхом витягування з розплаву на затравку за методом Чохральського зі швидкістю 0,5-6 мм/год. 3 Отримані кристали мають достатньо великі розміри - більше 3 см , вони прозорі, без двійників та не мають дефектів, які можуть візуально спостерігатися. UA 99900 C2 (12) UA 99900 C2 UA 99900 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід стосується технології отримання штучних кристалів і може бути застосованим для створення робочих елементів функціональної електроніки. 3+ 3+ Поліморфні сполуки із загальною формулою АВО4, де А - тривалентні катіони (Ві , Sb , 3+ 3+ 5+ 5+ 5+ рідкісноземельні метали: Y , Lu та інші), В - п'ятивалентні катіони (V , Nb , Та ), а також тверді розчини на їх основі широко використовуються в сучасній техніці. Наприклад, в науковій та патентній літературі описано застосування BiVO4, YVO4, BiNbO4 у вигляді діелектричної кераміки для мікрохвильової техніки [1], у вигляді нанокристалів і тонких плівок як фотокаталізаторів при розщепленні води та органічних сполук [2,3], у вигляді монокристалів як лазерного середовища [4]. Відповідно до цього ведуться інтенсивні дослідження щодо синтезу сполук даного складу. Так, відомі способи отримання кераміки та порошків BiVO4, YVO4 [5], епітаксійних плівок [6,7] та монокристалів, які вирощуються гідротермальним методом [8,9] та за методом Чохральського [10, 11]. Щодо BiNbO4, описано способи отримання кераміки шляхом співосадження або твердофазного синтезу [12]. Відомо про способи вирощування кристалів із розчину в розплаві [13] та гідротермальним методом (з водного розчину) [14], які вибрано як аналоги. Головним недоліком цих методів є дуже мала швидкість кристалізації (~0,1 мм/добу), що унеможливлює отримання об'ємних кристалів задовільного розміру. Утворення двійникової структури та включення домішок іонів розчину до складу кристалів впливають на їх якість та погіршують оптичні властивості. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, є спосіб вирощування кристалів BiNbO4 з домішкою Ge до 1 ат % методом спонтанної кристалізації [15], який вибрано за найближчий аналог. Цей спосіб включає приготування шихти зі стехіометричної суміші оксидів, плавлення при температурі ~ 1300 °C протягом 1-2 годин та охолодження зі швидкістю 30 град./год. до 900 °C, а потім разом з піччю до кімнатної температури. До переваг методу належить простота і більша, ніж у випадку розчинів, швидкість вирощування кристалів. -3 3 Головними недоліками є малі розміри (~5 10 см ), пластинчатий габітус, двійникування вздовж площини {100}, а також смугастість, яка обумовлена змінами складу Bi1+xNb1-xO4-x, де х = (-0,03) 0,09. В основу винаходу поставлена задача: розробити спосіб отримання об'ємних монокристалів 3 BiNbO4 достатньо великих розмірів (більше 3 см ) без двійникової структури. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі вирощуванні кристалів BiNbO4, який включає приготування шихти із стехіометричної суміші оксидів і плавлення при температурі ~1300 °C протягом 1-2 годин, згідно з винаходом, вирощування кристалів здійснюють витягуванням з розплаву на затравку за методом Чохральського зі швидкістю 0,5-6 мм/год. 3 Отримані кристали мають об'єм більше 3 см , прозорі, без двійників, не мають дефектів, які можуть візуально спостерігатися. Заявлений спосіб здійснюється таким чином. Оксиди Вi2О3 і Nb2O5 марки "о. ч." навішуються в стехіометричному співвідношенні: 50 мол. % Вi2О3 і 50 мол. % Nb2O5 та змішуються на спирту. Суміш нагрівають в платиновому тиглі до температури 1300 °C - 1310 °C та витримують протягом 1-2 годин. Вирощування здійснюється шляхом витягування затравки з розплаву зі швидкістю 0,5-6 мм/год. Швидкість витягування кристалів BiNbO4 залежить від швидкості кристалізації сполуки. Результати експериментального визначення швидкості витягування та її впливу на якість кристалів наведено в таблиці. Оптимальний результат відповідає прикладу 3. 45 Таблиця 1 Швидкість витягування, мм/год. 0,2 2 0,5 3 2 4 6 5 10 Приклад № Результат Кристалічна буля задовільної якості, поверхня протравлена парами розплаву Кристали прозорі, без двійників, не мають візуальних дефектів Кристали прозорі, без двійників, не мають візуальних дефектів Кристали задовільної якості. В нижньої частині булі є бульбашки повітря, та інші включення Розтріскування кристалів і внаслідок механічних деформацій 1 UA 99900 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Приклад 1. Суміш оксидів Вi2О3 і Nb2O5 марки "о. ч." у стехіометричному співвідношенні: 50 мол. % Ві2О3 і 50 мол. % Nb2O5 гомогенізувалась в середовищі етилового спирту та нагрівалась в платиновому тиглі до температури 1310 °C. Розплав витримувався 2 год., а потім здійснювалось вирощування кристалів BiNbO4 за методом Чохральського. Початкова температура росту 1310 °C, швидкість обертання затравки 20 об./хвил., швидкість витягування 2 мм/год. Охолодження розплаву під час вирощування здійснювалось зі швидкістю 3 град./год., а охолодження кристала після відриву від розплаву - зі швидкістю 30 град./год. до 900 °C, а потім, разом з піччю, до кімнатної температури. Отримані кристали мають діаметр 1,5-2 cм та довжину більше 3 см. Вони прозорі, мають жовтуватий відтінок, не містять двійників. Можуть бути використані в функціональній електроніці. Джерела інформації: 1. Di Zhou, Wei Wu, Hong Wang, Yanshehg Jiang, Xi Yao The two element antennas using BiNbO4 ceramics as the substrate // Materials Science and Engineering: A. - July 2007.- V.460-461. P.652-655. 2. Kazuniro Sayama, et al. Photoelectrochemical decomposition of water on nanocrystalline BiVO 4 film electrodes under visible light // The Royal Society of Chemistry.-2003. - P.2908-2909. 3. Shelnutt, et.al. Water-splitting using photocatalytic porphyrin-nanotube composite devices // US 7338590.-2008. 4. Butterworth Off-peak optical pumping of yttrium orthovanadate // US 7203214.-2007. 5. Bing Yan, Xue-Qing Su Chemical co-precipitation synthesis of luminescent Bi xY1+xVO4: Re 3+ 1+ 3+ (Re=Eu , Dy , Er ) phosphors from hybrid precursors // Journal of Non-Crystalline Solids.-2006. V.352, Is.1. - P.3275-3279. 6. Galembeck A., Alves O.L. BiVO4 thin film preparation by metaloorganic decomposition // Then Solid Film.-3 April 2000. - V.365, Is.1. - P.90-93. 7. Milev D.R., Atanasov P.A. et.al. Structural and optical properties of YVO 4 thin films/ // Applied Surface Science.-3 July 2007. - V.253, Is.19. - P.8250-8253. 8. Gotic ML, Music S. et.al. Synthesis and characterization of bismuth (III) vanadate // Journal of Molecular Structure.-3 June 2005. - V.744-747. - P.535-540. 9. Forbes Alfred R., McMillen Colin D. et.al. The hydrothermal synthesis, solubility and crystal growth of YVO4 and Nd: YVO4 // Journal of Crystal Growth. - October 2008. - V.310, Is.20. - P.44724476. 10. Ruan Yongfeng, Zhang Shouchao et.al. Growth and spectrum properties of Ce: YVO 4 single crystal //Journal of Rare Earths. - June 2007. - V.25, Supplement 1. - P. 122-124. 11. Huaijin Zhang, Xianlin Meng et al. Growth, spectra and influence of annealing effect on laser properties of Nd: YVO4 crysta // Optical Materials. - March 2000. - V.14, Is.1. - P.25-30. 12. Radha R., Muthurajan H. et al. Low temperature synthesis and characterization of BiNbO4 powders/ // Material Characterization. - August 2008. - V.59, Is.8. - P.1083-1087. 13. Subramanian M.A., Calabrese J.C. Crystal structure of the low temperature form of bismuth niobium oxide [a-BiNbO4] // Material Research Bulletin. - June 1993. - V.28, Is.6. - P.523-529. 14. Пополитов В.И., Лобачев А.Н. и др. Синтез и исследование монокристаллов и кераміки BiNbO4 и BiTaO4 // Кристаллография.-1975. - Т. 20, B. 4. - С. 783-787. 15. Фирсов А.В., Буш А.А. и др. Выращивание и исследование монокристаллов в системе Bi2O3-GeO2-Nb2O5 (Та2О3) // Кристаллография.-1985. - Т. 30, B. 5. - С. 927-931. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 Спосіб вирощування кристалів BiNbO4, який включає приготування шихти із стехіометричної суміші оксидів, її плавлення при температурі ~1300 °С протягом 1-2 годин, який відрізняється тим, що вирощування кристалів здійснюють шляхом витягування з розплаву на затравку за методом Чохральського зі швидкістю 0,5-6 мм/год. Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2