Способ получения монокристалла диарсенида цинка

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА ДИАРСЕНИДА ЦИНКА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Трухан Владимир МихайловичШелег Александр УстиновичФекешгази Иштван ВинцеевичГолякевич Татьяна Васильевна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ получения монокристалла диарсенида цинка методом Бриджмена в двухтемпературной печи, в котором исходную смесь цинка и мышьяка помещают в вакуумированную до 10-3 Па кварцевую ампулу, дно которой выполнено в виде конуса с углом не более 58, нагревают ампулу до температуры 600 С и выдерживают в течение одного часа, повышают температуру на 20-40 С выше температуры плавления диарсенида цинка,подвергают образовавшийся расплав вибрационному перемешиванию в течение одного часа, а затем понижают температуру до 780 С и перемещают ампулу в зону кристаллизации со скоростью от 0,8 до 1 мм/час при температурном градиенте не более 8,5 /см. 11173 1 2008.10.30 Изобретение относится к области химии, а более конкретно, к способу выращивания монокристаллов диарсенида цинка - 2, которые относятся к группе полупроводников(-,-, ). Известно, что полупроводникимогут быть применены в оптоэлектронике 1-3. Известен способ получения монокристаллов диарсенида цинка из газовой фазы пересублимацией поликристаллической шихты 2 в вакууме 4. Габитус и размеры выращенных монокристаллов 2 зависят от степени пересыщения, которая определяется температурами зон испарения и кристаллизации и градиентом температуры между ними. Выращенные монокристаллы имели размеры 953 мм 3. Малые размеры кристаллов затрудняют исследование анизотропии свойств монокристаллов 2 и ограничивают области их практического применения. Наиболее близким к заявленному способу является способ получения монокристаллов диарсенида цинка методом Бриджмена из предварительно синтезированного соединения 2 5. Синтез проводили по методу Таммана, расплавляя компоненты, взятые в стехиометрическом соотношении в однозонной шахтной печи. При синтезе добавляли избыток мышьяка, навеску которого рассчитывали на свободный объем ампулы. Процесс выращивания монокристаллов 2 осуществляли в двузонной установке, состоящей из двух печей и механизма, который обеспечивает вращение и перемещение кварцевой ампулы. Одна из печей (фоновая) формировала плоский фронт кристаллизации путем уменьшения радиального градиента температуры. Вторая - ростовая печь. При оптимальных температурах рабочей зоны ростовой печи 773-778 С, что превышает температуру плавления 2 на 2-7 С, и фоновой печи 555-566 С, а также скорости перемещения ампулы 0,5-1,2 мм/час были получены структурно-совершенные монокристаллы 2, которые имели диаметр 20-30 мм и длину 100-150 мм. В этом способе для получения монокристаллов 2 использовали предварительно синтезированный поликристаллический 2, что можно отнести к основному недостатку данного способа, поскольку сам процесс синтеза 2 относится к трудоемкой работе,а извлечение материала из кварцевой ампулы снижает чистоту конечного продукта и ведет к потере времени и материала (кварца). Кроме того, выращивание монокристаллов 2 в указанном способе осуществляли, используя сложную аппаратуру. Таким образом, основным недостатком прототипа при выращивании монокристаллов 2 является использование в качестве исходного материала поликристаллического диарсенида цинка. Задача, решаемая данным изобретением, - в упрощении технологического процесса выращивания монокристаллов 2. В заявляемом изобретении предложен способ получения монокристаллов диарсенида цинка методом Бриджмена в двухтемпературной печи, в котором исходную смесь цинка и мышьяка помещают в вакуумированную да 10-3 Па кварцевую ампулу, дно которой выполнено в виде конуса с углом не более 58, нагревают ампулу до температуры 600 С и выдерживают в течение одного часа, повышают температуру на 20-40 С выше температуры плавления диарсенида цинка, подвергают образовавшийся расплав вибрационному перемешиванию в течение одного часа, а затем понижают температуру до 780 С и перемещают ампулу в зону кристаллизации со скоростью от 0,8 до 1 мм/час при температурном градиенте не более 8,5 /см. Изобретение и прототип включают метод направленной кристаллизации по Бриджмену в откаченных до 10-3 Па кварцевых ампулах и перемещение ростовых ампул в сторону зоны кристаллизации. Сущность изобретения состоит в том, что в предложенном способе выращивания монокристаллов диарсенида цинка используют простые вещества - цинк и мышьяк, что позволяет упростить технологический процесс выращивания монокристаллов 2 путем совмещения процесса синтеза и выращивания 2 сократить время выращивания монокристаллов 2 использовать менее дорогостоящее технологическое оборудование. 2 11173 1 2008.10.30 В описании приведены конкретные температуры и время, при которых происходит взаимодействие цинка и мышьяка, причем процесс синтеза и выращивания 2 ведут в вакуумированных до 10-3 Па кварцевых ампулах с коническим дном, в которые помещают исходные материалы цинк, мышьяк и дополнительную навеску мышьяка, рассчитанную на свободный объем ампулы. Откаченную и отпаянную графитизированную кварцевую ампулу помещают в двухтемпературную печь сопротивления с регулятором температуры(РИФ-101) и поднимают температуру до 600 С, и выдерживают ее в течение 1 часа. Затем температуру повышают на 20-40 выше температуры плавления 2 (771 С) и подвергают расплав вибрационному перемешиванию в течение 1 часа. Охлаждают расплав до 780 С и при достижении указанной температуры включают протяжку и перемещают ампулу в зону кристаллизации со скоростью 0,8-1 мм/час. Температурные и временные режимы выращивания и отжига сведены в табл. 1. Таблица 1 Этапы 780 Температураэтапа обеспечивает интенсивное взаимодействиес , так как цинк находится в расплавленном состоянии, а мышьяк интенсивно испаряется при этой температуре. Температураэтапа превышает температуру плавления диарсенида цинка и на этом этапе происходит интенсивное вибрационное перемешивание расплава в течение 1 часа. Наэтапе при температуре 780 С включается протяжка и начинается движение кварцевой ампулы с расплавом 2 в зону кристаллизации со скоростью 0,8-1 мм/час. Способ реализуют следующим образом. Исходные материалы цинк, мышьяк и дополнительную навеску , рассчитанную на свободный объем ампулы, загружают в кварцевую ампулу, которую предварительно обрабатывают в смеси плавиковой и серной кислот с последующей промывкой бидистиллированной водой и сушкой. Синтез и выращивание монокристаллов 2 осуществляют в двухтемпературной печи сопротивления, в которую помещают предварительно откаченную и отпаянную до 10-3 Па кварцевую ампулу с исходными веществами - цинком и мышьяком. Включают печь и повышают температуру до 600 С, при которой происходит интенсивное испарение и взаимодействие мышьяка с цинком. Выдерживают эту температуру в течение 1 часа и затем увеличивают до температуры, превышающей на 20-40 температуру плавления 2. Расплав подвергают вибрационному перемешиванию в течение 1 часа и после него понижают температуру до 780 С, и после достижения заданной температуры ампулу начинают перемещать в сторону зоны кристаллизации со скоростью 0,8-1 мм/час, равной скорости роста монокристаллов диарсенида цинка. На фиг. 1 изображена фотография монокристалла диарсенида цинка. На фиг. 2 представлена плоскость скола (110) монокристалла диарсенида цинка. Пример. Исходные компоненты цинк и мышьяк, в стехиометрическом соотношении общим весом 40-50 грамм, и дополнительную навеску , рассчитанную на свободный объем ампулы, помещают в предварительно обработанную кварцевую ампулу. Длина ампулы 100-120 мм, внутренний диаметр - 18-20 мм. Один конец ампулы изготовлен в виде конуса. Ампулу вакуумируют до 10-3 Па, запаивают и помещают в вертикальную двухтемпературную печь сопротивления, температуры в которой контролируют регулятором температуры РИФ-101. Устанавливают температуру в печи 600 С и после 1 часа увеличивают температуру до 790-810 С. При достижении указанной температуры проводят вибрационное перемешивание в течение 1 часа и понижают температуру до 780 С. Включают 3 11173 1 2008.10.30 протяжку и перемещают ампулу в зону кристаллизации со скоростью 0,8-1 мм/час. Через 120 часов печь выключают. Получают монокристаллический 2 в виде були. Температурные режимы опытов по выращиванию монокристаллов диарсенида цинка,проведенных по описанному методу, и их результаты сведены в табл. 2. Таблица 2 Длитель- Скорость Темпера- Угол коность перемеще- турный нической Примечаэтапа , ния ампу- градиент, части амние час лы, мм/час град/см пулы, град 773-778 0,5-1,2 не указанаПолучается моноблочный или поликристаллический кристалл из-за низкой температурыэтапа и большого угла конической части ампулы.Температураэтапа опыта 3 высокая и существует вероятность взрыва ампулы изза резкого выделения тепла, температураэтапа опыта 3 превышает на 19 температуру плавления, что увеличивает продолжительность процесса выращивания монокристалла 2. Угол 5258 приводит к увеличению конусной длины кристалла, который не используется в экспериментах и при изготовлении элементов электронной техники. В опыте 4 приведены технические характеристики выращивания монокристалла диарсенида цинка - прототипа. Из приведенной табл. 2 видно, что при соблюдении режимов выращивания получают монокристаллы в виде були диаметром 18-20 мм. Качество полученных монокристаллов подтверждено рентгенофазовым анализом на рентгеновском аппарате ДРОН-3 и оптическим на поляризационном микроскопе МИМ-8 М. Источники информации 1. Лазарев В.Б., Шевченко В.Я., Гринберг Я.Х. Полупроводниковые соединения группы . - . Наука, 1987. - С. 170. 2. Лазарев В.Б., Маренкин С.Ф., Раухман Материалы на основе соединенийис Р,ии эвтектические композиции для устройств электронной техники. Фундаментальныенауки народному хозяйству. - М. Наука, 1990. - С. 225-226. 3. Морозова В.А., Маренкин С.Ф., Кошелев О.Г. Особенности спектров пропускания 2 в области примесного поглощения // Неорганические материалы, 1999. - Т. 35. 7. С. 778- 791. 4. , В. , .22. . . . 1978. - .44.2. - . 259-261. 5. Маренкин С.Ф., Маймасов А.Б., Попов В.А. Особенности выращивания монокристаллов 2 направленной кристаллизацией по методу Бриджмена // Неорганические материалы. - 1997. - Т. 33. 4. - С. 398-403. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5