close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13076

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.04.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 30B 9/00
C 30B 29/10
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВИСМУТ ЗАМЕЩЕННОГО
ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВОГО ГРАНАТА
(21) Номер заявки: a 20080559
(22) 2008.04.28
(43) 2009.12.30
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Гурецкий Сергей Арсеньевич; Лугинец Александр Михайлович; Гурский Леонид Ильич; Телеш
Евгений Владимирович; Волчик
Татьяна Владимировна; Колесова
Ирина Михайловна; Кравцов Андрей Валерьевич (BY)
BY 13076 C1 2010.04.30
BY (11) 13076
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(56) ZHANG X.W. et al. J. of Magnetism and
Magnetic Mat., 2002. V. 246. - P. 67-72.
DURČOK S. et al. Mat. Chem. and
Phys., 1996. V. 45. - P. 124-129.
HUANG M. et al. Thin Solid Films,
2004. V. 450. - P. 324-328.
EP 0684325 A1, 1995.
(57)
Способ получения висмут замещенного железо-иттриевого граната, при котором получают монокристаллы железо-иттриевого граната из раствора-расплава следующего состава, мол. %:
Y3Fe5O12
18,4
B2O5
33,2
BaO
38,7
BaF2
8,5
Fe2O3
1,2,
при температуре 1200-1250 °С с последующими выдержкой в течение 20-50 часов и охлаждением до температуры 920-980 °С, затем на вырезанные по плоскости (111) монокристаллические пластины железо-иттриевого граната напыляют висмут и осуществляют
диффузионный отжиг при температуре 650 °С и давлении кислорода 105 Па в течение 50
часов.
Изобретение относится к магнитоэлектронной технике и может быть использовано в
функциональной электронике, в которой магнитоэлектронные эффекты и явления в континуальных магнитоупорядоченных средах используются для создания приборов и устройств обработки и хранения информации.
Известен способ получения висмут замещенного железоиттриевого граната Y3xBixFe5O12-δ (Bi-ЖИГ) из свинец - содержащего раствора-расплава [1]. Перед выращиванием монокристаллов Bi-ЖИГ осуществляли поэтапное наплавление при 1050-1100 °С рас-
BY 13076 C1 2010.04.30
твора-расплава с его последующим гомогенизированием в платиновых тиглях. В качестве
кристаллообразующих были использованы окислы Y2O3, Bi2O3 и Fe2О3, а для растворителя РbО и В2O3 квалификации "ОСЧ". Выращивание кристаллов проводили на вытягиваемую из раствора-расплава ориентированную кристаллическую затравку, вырезанную из
монокристалла Y3-xBixFe5O12-δ. Затравку опускали в платиновый тигель до ее касания поверхности раствора-расплава и начинали вращать с медленным вытягиванием из жидкой
среды. Выращивание кристалла осуществляли при температуре ниже температуры насыщения (Т°нас), составляющей 880 °С, с медленным снижением температуры со скоростью
1,0-1,5 °С/ч. Максимально возможный размер выращиваемого кристалла ограничен диаметром тигля и объемом раствора-расплава.
Недостаток указанного способа обусловлен тем, что в переохлажденном состоянии
раствор-расплав термодинамически неустойчив, что затрудняет контроль над процессом
кристаллизации. Кроме того, использование раствора-расплава с высокой концентрацией
Bi крайне нежелательно из-за интенсивной коррозии платиновых тиглей, используемых
для синтеза Y3-xBixFe5O12-δ. Присутствие свинца в Bi-содержащем растворе-расплаве приводит к снижению прозрачности монокристаллических пластин в видимом диапазоне
вследствие внедрения в них свинца. Из-за высокой летучести свинца изменяется состав
раствора-расплава, что приводит к неконтролируемости условий выращивания кристалла
и к загрязнению окружающей среды вредными для здоровья человека химическими элементами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относится
способ получения висмут замещенного железоиттриевого граната, заключающийся в использовании безсвинцовых бор-висмутовых растворителей [2]. Раствор-расплав из окислов В2О3, Fe2O3, Bi2O и Y2O3 готовился в платиновом тигле последовательным
наплавлением при температуре 1290 °С с последующей выдержкой несколько часов. Затем тигель раскручивали с ускорением и охлаждали до 980 °С со скоростью 0,5-3 град/ч.
Охлаждение тигля до комнатной температуры осуществляли в режиме выключенной печи. Отдельные кристаллы имели включения примесной фазы, которые вытравливали с
помощью разведенной азотной кислоты.
Недостатками данного способа являются: термодинамическая неустойчивость в переохлажденном состоянии раствора-расплава, что затрудняет контроль над процессом кристаллизации; высокая химическая агрессивность висмут содержащего раствора-расплава к
технологической оснастке, что приводит к использованию платиновых тиглей и соответственно ее потере при коррозии тиглей; отсутствие воспроизводимости физикохимических свойств выращенных кристаллов Вi:ЖИГ в виду трудности выращивания монокристаллов постоянного состава из-за деградации в пересыщенном состоянии Biсодержащего раствора-расплава и изменения его состава; сильная адгезия раствора расплава на основе Bi2O3 к тиглю, что накладывает дополнительные трудности на крепление
и балансировку держателя.
Задачей настоящего изобретения является разработка 2-х стадийного способа получения висмут замещенного железоиттриевого граната требуемой толщины с целью уменьшения экономических затрат (расхода платиновых тиглей), устранения неравновесности
протекания процесса кристаллизации железоиттриевого граната, воспроизводимости физико-химических свойств BixY3-xFe5O12.
Поставленная задача решается за счет того, что способ получения висмут замещенного железо-иттриевого граната, при котором получают монокристаллы железо-иттриевого
граната из раствора-расплава следующего состава, мол. %:
Y3Fe5O12
18,4
В2O5
33,2
ВаО
38,7
BaF2
8,5
2
BY 13076 C1 2010.04.30
Fe2O3
1,2,
при температуре 1200-1250 °С с последующими выдержкой в течение 20-50 часов и охлаждением до температуры 920-980 °С, затем на вырезанные по плоскости (111) монокристаллические пластины железо-иттриевого граната напыляют висмут и осуществляют
диффузионный отжиг при температуре 650 °С и давлении кислорода 105 Па в течение 50
часов.
Сущность изобретения заключается в использовании экологически чистого, химически неагрессивного к платиновой технологической оснастке, термодинамически устойчивого к переохлажденному состоянию бор-бариевого раствора-расплава, полученного из
двойных оксидов Fe2O3, Y2O3, В2О3, BaF2, ВаО, воспроизводимости физико-химических
свойств BixY3-xFe5O12 ввиду контроля условий напыления висмута на монокристаллическую пластину Y3Fe5O12, температурных и временных режимов диффузионного отжига
гетероструктуры висмут замещенного железоиттриевого граната.
Пример выполнения способа получения висмут замещенного железоиттриевого граната. В начале производят поэтапное наплавление раствора расплава с его последующим
гомогенизированием в цилиндрическом платиновом стакане объемом 1000 мм3 при температурах 1200-1250 °С. В качестве растворителя использовались реагенты системы
В2О3–ВаО–ВаF2, так как для реализации процесса управляемого выращивания кристаллов
Y3Fe5O12 они наиболее пригодны в виду отсутствия интенсивного испарения и нет заметного влияния на температуру насыщения, а также нет воздействия агрессивных летучих
компонентов на нагревательные элементы и технологическую оснастку.
После наплавления и гомогенизации раствора-расплава в него опускали вращающееся
платиновое кольцо с затравочными кристаллами в приповерхностную зону. Создаваемые
им спиралевидные гидродинамические потоки стабильны по структуре и обеспечивают
как высокие скорости смывания граней растущих кристаллов раствором-расплавом, так и
интенсивный массообмен между зонами растворения и роста. Скорость вращения платинового кольца с затравками составляла 50-70 об/мин, а скорость кристаллизации монокристаллов - 0,05 мм/ч.
Допустимые концентрации компонентов раствора-расплава представлены в таблице.
Состав
Cmin, мол., %
Copt, мол., %
Сmax, мол., %
Y3Fе5O12
17,5
18,4
19,3
В2O3
32,4
33,2
33,7
ВаО
43,1
38,7
34,5
BaF2
6,5
8,5
11,0
Fe2O3
0,5
1,2
1,5
Снижение концентрации окиси бора менее Cmin приводит к увеличению вязкости раствора-расплава настолько, что в результате уменьшения кинетически процессов диффузии
компонент жидкой фазы происходит захват маточного расплава растущим кристаллом.
Увеличение содержания фтористого бария более Сmax увеличивает смачиваемость платиновых поверхностей настолько, что при температурах выше температуры насыщения проявляется фактор "ползучести" раствора-расплава по стенкам тигля. Это приводит к
нарушению состава раствора-расплава в процессе синтеза, кроме того, раствор-расплав,
оказавшись вне тигля, разрушает алундовую технологическую оснастку. Концентрация
фтористого бария менее Cmin увеличивает вязкость расплава и температуру солидиуса.
Наличие включений раствора расплава в кристаллах, выращенных при таких условиях,
делает их непригодными для дальнейшего практического использования. Аналогичное
влияние оказывает увеличение концентрации окиси бария более Сmax. Уменьшение содержания окиси бария менее Cmin повышает растворяющую способность растворителя, что
приводит к снижению температуры насыщения ниже нижней границы температурного
поля существования фазы Y3Fe5O12. При изучении влияния концентрации Fe2O3 на процессы роста Y3Fe5O12 установлено, что понижение концентрации Fe2O3 ниже указанных
3
BY 13076 C1 2010.04.30
величин (таблица) существенным образом уменьшает область устойчивой кристаллизации
Y3Fe5O12 и ширину метастабильной зоны раствора-расплава. Увеличение концентрации
Fe2O3 снижает растворимость Y3Fe5O12 и повышает вязкость раствора-расплава.
Нанесение пленок металлического висмута на монокристаллические пластины
Y3Fe5O12, поверхность которых ориентирована в плоскости (111), осуществлялось на вакуумной установке Z 400 фирмы "Leybold-Heraeus", оснащенной безмасляной системой
откачки на базе турбомолекулярного насоса. Камера вакуумной установки была оборудована двухлучевым ионным источником с замкнутым холловским током на основе ускорителя с анодным слоем. Подложки устанавливались на подложкодержателе карусельного
типа на расстоянии 100 мм от поверхности мишени. Камера откачивалась до остаточного
давления 10-3 Па. Перед напылением осуществлялась очистка поверхности подложек ионами аргона с энергией 400 эВ. Ток ионной очистки составлял 10 мА, время очистки - 10
мин. В качестве распыляемого материала использовались диски из висмута диаметром 50
мм и толщиной 4 мм. Распыление осуществляли ионами аргона с энергией 1800 эВ при
токе 30 мА. Не окисленные пленки висмута на монокристаллических пластинах Y3Fe5O12-δ
получены с наименее развитым рельефом поверхности при рабочем давлении до 10-2 Па,
скорости осаждения 6 нм/мин и температуре монокристаллической подложки 30 °С. Для
осуществления термодиффузии металлического висмута в монокристаллическую подложку Y3Fe5O12-δ проводили поэтапный диффузионный отжиг пленок. На первом этапе диффузионный отжиг осуществляли при 280 °С и рO2 = 10 Па с целью взаимодействия
висмутовой пленки с подложкой без образования низших окислов висмута. Наиболее однородные и структурно совершенные диффузионные слои BixY3-xFe5O12 были получены
при отжиге в течение 50 ч, Т = 650 °С и рO2 = 105 Па.
Преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с известным является уменьшение экономических затрат ввиду использования экологически чистого, химически неагрессивного к платиновой технологической оснастке бор-бариевого раствора-расплава,
упрощение контроля над процессом кристаллизации монокристаллических пластин висмут замещенного железоиттриевого граната, воспроизводимости физико-химических
свойств BixY3-xFe5O12.
Источники информации:
1. Seok-Gyu Yoon, Geun-Young Kim, Myoung-Jin Kim, Hyung-Man Lee, Whe-Kyung
Kim, and Dae-Ho Yoon. Growth and Characteristics of YIG, Bi:YIG, TbBi:YIG Single Crystal
Thick Films // Journal of the Korean Ceramic Society. - 2003. - Vol. 40. - No. 7. - P. 672-676.
2. Zhang X.W., Zhang S.Y., Han G.R. Growth and Characteristics of magneto-optical single
crystal ReYbBiIG with temperature-stabilized Faraday rotation // Journal of Magnetism and
Magnetic Materials. - 246, 2002. - P.67-72.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
85 Кб
Теги
патент, by13076
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа