Способ получения висмут замещенного железо-иттриевого граната

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВИСМУТ ЗАМЕЩЕННОГО ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВОГО ГРАНАТА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Гурецкий Сергей Арсеньевич Лугинец Александр Михайлович Гурский Леонид Ильич Телеш Евгений Владимирович Волчик Татьяна Владимировна Колесова Ирина Михайловна Кравцов Андрей Валерьевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ получения висмут замещенного железо-иттриевого граната, при котором получают монокристаллы железо-иттриевого граната из раствора-расплава следующего состава, мол.3512 18,4 25 33,2 38,7 2 8,5 23 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 3512- (-ЖИГ) из свинец - содержащего раствора-расплава 1. Перед выращиванием монокристаллов -ЖИГ осуществляли поэтапное наплавление при 1050-1100 С рас 13076 1 2010.04.30 твора-расплава с его последующим гомогенизированием в платиновых тиглях. В качестве кристаллообразующих были использованы окислы 23, 23 и 2 О 3, а для растворителя РО и В 23 квалификации ОСЧ. Выращивание кристаллов проводили на вытягиваемую из раствора-расплава ориентированную кристаллическую затравку, вырезанную из монокристалла 3-512-. 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 (Тнас), 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 концентрациейкрайне нежелательно из-за интенсивной коррозии платиновых тиглей, используемых для синтеза 3-512-. Присутствие свинца в -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 В 2 О 3, 23, 2 и 23 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 ВЖИГ в виду трудности выращивания монокристаллов постоянного состава из-за деградации в пересыщенном состоянии содержащего раствора-расплава и изменения его состава сильная адгезия раствора расплава на основе 23 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 3-512. 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.3512 18,4 В 25 33,2 ВаО 38,7 2 8,5 2 13076 1 2010.04.30 23 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 23, 23, В 2 О 3, 2, ВаО, воспроизводимости физико-химических свойств 3-512 ввиду контроля условий напыления висмута на монокристаллическую пластину 3512, 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 мм 3 при температурах 1200-1250 С. В качестве растворителя использовались реагенты системы В 2 О 3 ВаОВа 2, так как для реализации процесса управляемого выращивания кристаллов 3512 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 Снижение концентрации окиси бора менееприводит 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 С 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 менееувеличивает 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 С. Уменьшение содержания окиси бария менееповышает растворяющую способность растворителя, что приводит к снижению температуры насыщения ниже нижней границы температурного поля существования фазы 3512. При изучении влияния концентрации 23 на процессы роста 3512 установлено, что понижение концентрации 23 ниже указанных 3 13076 1 2010.04.30 величин (таблица) существенным образом уменьшает область устойчивой кристаллизации 3512 и ширину метастабильной зоны раствора-расплава. Увеличение концентрации 23 снижает растворимость 3512 и повышает вязкость раствора-расплава. Нанесение пленок металлического висмута на монокристаллические пластины 3512, поверхность которых ориентирована в плоскости (111), осуществлялось на вакуумной установке 400 фирмы -, 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 3512 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 3512- проводили поэтапный диффузионный отжиг пленок. На первом этапе диффузионный отжиг осуществляли при 280 С и р 210 Па с целью взаимодействия висмутовой пленки с подложкой без образования низших окислов висмута. Наиболее однородные и структурно совершенные диффузионные слои 3-512 были получены при отжиге в течение 50 ч, Т 650 С и р 2105 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 3-512. Источники информации 1. - , - , - , - , ,- ., ,//. - 2003. - . 40. - . 7. - . 672-676. 2.,,--//. - 246, 2002. - .67-72. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4