Выращивание монокристаллов хризоберилла и александрита из высококонцентрированного раствора

• Автор: Винник, Денис Александрович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АЛЕКСАНДРИТ
1.1 Структура. Свойства. Применение
1.2 Выращивание монокристаллов
1.3 Современное представление о кристаллообразовании
1.4 Дефекты монокристаллов
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
2.1 Устройство печи
2.2 Электронное оборудование
2.3 Механическая часть устройства вытягивания-вращения
2.4 Схемы управления двигателями
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1 Общее описание условий технологического процесса
3.2 Результаты предварительных работ
3.3 Порядок проведения экспериментов
3.4 Особенности процесса выращивания хризоберилла
3.5 Изменение геометрических параметров и массы монокристалла
3.6 Особенности процесса выращивания корундов
4 КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
4.1 Изучение дефектной структуры
4.1.1 Шлифы и химическое травление
4.1.2 Дислокационная структура
4.1.3 Распределение хромофорных примесей
4.1.4 Захват включений
4.2 Изучение структуры и физических свойств
4.2.1 Рентгеноструктурный анализ
4.2.2 Спектры пропускания в оптическом диапазоне
4.2.3 Катодолюминссценция
4.2.4 Флуоресценция
4.2.5 Теплопроводность
5 ПРИМЕНЕНИЕ
5.1 Александрит
5.2 Корунд
6 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Интерес к методам синтеза кристаллов обусловлен возрастающими
потребностями современных науки и промышленности в материалах с особыми физическими свойствами. Примерами таких свойств являются способность генерировать оптическое излучение и возможность управления его характеристиками.
К показателям качества лазерных кристаллов относят:
• количество дефектов, что определяет энергетические потери в кристалле;
• значение коэффициента теплопроводности, что определяет способность материала отводить неминуемо выделяющееся при генерации тепло, а значит, максимально достижимую мощность лазерного излучения;
• энергетический выход люминесценции, что является интегральным показателем качества кристалла, используемого в лазерной технике.
Оксидные кристаллы способны работать в жестких температурных условиях и являются наиболее перспективными для создания непрерывных лазеров высокой мощности с перестраиваемой частотой. К таким кристаллам относят александрит и корунд, легированный титаном.
Область люминесценции титанистого корунда (титан-сапфирового лазера) -600-1000 нм. Основным источником проблем при создании лазерных систем на корунде с титаном является способность ионов титана и собственных точечных дефектов корунда создавать комплексы, которые вызывают поглощение в красной и ближней инфракрасной области спектра, т.е. в области генерации перестраиваемого лазера. Это может служить причиной существенного уменьшения энергетического выхода люминесценции.
Кристаллы александрита используют в качестве активной среды перестраиваемых твердотельных лазеров инфракрасного диапазона (715-830 нм). Благодаря высокой термостойкости, широкому спектру поглощения и низкому порогу генерации можно в различных режимах (импульсном, частотном, непрерывном) эффективно использовать ламповую накачку и получать высокую мощность излучения.
Лазеры на александрите находят применение в медицине и косметологии, в качестве атмосферных лидаров, а также используются для обработки материалов. Эти лазеры перспективны для обработки меди и алюминия, поскольку тепловые и оптические свойства этих металлов затрудняют использование для их обработки других типов лазеров. А так как длина волны лазеров на александрите попадает в полосу поглощения кремния, это дает возможность обработки кремниевых пластин. Однако использование

лазеров на александрите сдерживается технологической сложностью выращивания монокристаллов.
Для получения монокристаллов александрита используют методы выращивания из стехиометрического расплава и низкоконцентрированных растворов, которые имеют следующие недостатки.
Главным источником проблем при выращивании александрита из расплава является наличие фазового перехода (3—>а при температуре 1853 °С. Именно поэтому при выращивании александрита из расплава невозможно стабильно получать низкотемпературную а-фазу.
Реализация выращивания из низкоконцентрированного (при температуре около 1300 °С) раствора с использованием флюса не может обеспечить скорость роста выше десятых долей миллиметра в сутки.
Именно поэтому проблема разработки физико-химических основ технологии получения хризоберилла и александрита в условиях, исключающих высокотемпературный фазовый переход, а также обеспечивающих скорости роста, сопоставимые с расплавными методами, представляется весьма актуальной.
В данной работе рассмотрены физико-химические основы получения монокристаллов хризоберилла и александрита, реализация которых позволит полностью исключить появление высокотемпературной модификации алюмината бериллия. Проведенные исследования дефектной структуры и измерение физических параметров дают основания утверждать, что полученный материал пригоден для изготовления активных элементов лазерных систем высокой мощности.
Цель работы
Разработать физико-химические основы технологии получения объемных монокристаллов хризоберилла и александрита, а также провести комплексное исследование качества полученного материала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) создан лабораторный комплекс, состоящий из ростовой печи, устройства вращения и вытягивания кристалла, электронного оборудования — блоков регулирования температурного режима, скорости вытягивания и частоты вращения кристалла;
2) отработан состав питающего раствора, температурный режим, способ и время затравления, размеры тигля, гарантирующие получение хризоберилла и его легированной хромом разновидности - александрита;
3) получены пригодные для исследования свойств монокристаллы хризоберилла и александрита;

Рис. 2.2. Нагреватель с токоподводами
25, ввернутые, в свою очередь, в промежуточную шайбу 26 в центральном отверстии опорной пластины 19. Спай термопары ВР-5/20 находится в непосредственном контакте с донной частью тигля.
Верхняя часть печи имеет резьбовое соединение с шайбой 27, служащей для герметизации крышек, которые могут иметь различную конструкцию. Для целей данной работы крышка заменена на узел, состоящий из нижней пластины 28, сильфона 29 и верхней пластины 30, к которой крепится устройство для вытягивания и вращения кристалла. На данном рис. 2.1 показана временная крышка. Верхняя пластина имеет возможность регулирования наклона, что нужно для точной центровки затравок в тигле и достигается за счет вворачивания на различную глубину болтов 31 в три стойки

Для наблюдения за процессом роста кристаллов печь снабжена смотровым окном
33. Откачивающая система состоит из форвакуумного и диффузионного насосов, системы вентилей, позволяющих добиваться разряжения в печи и осуществлять производить откачку печи и напуск нейтрального газа, термопарной и ионизационной манометрических ламп и вакуумметра ВИТ-2П.
При напуске 1 ата аргона и плавлении в тигле образца А1гОз (2050 °С) потребляемая печью мощность составляет 4 кВт (напряжение на нагревателе около 4 В), при этом остается запас для увеличения мощности примерно до 10 кВт. Работа печи при температурах 2000-2100 °С вполне устойчива; не наблюдается сильного испарения материалов нагревателя и экранов; греющиеся элементы сохраняют свои геометрические размеры.