Vynález se týká oblasti pěstování monokrystalů z vodných roztoků a je průmyslově využitelný při syntéze optických a piezoelektrických křemenných monokrystalů pro radioelektronickou, optoelektronickou a optickou technologii. Podstata vynálezu: krystaly se pěstují z vodného roztoku fluoridu sodného, který se odebírá v množství 0,001 až 0,08 g/l při 320-380 o C, tlaku 200-3000 kg/cm 2 a teplotě rozdíl v roztoku 1,5-30 o C, v důsledku čehož se tvorba koloidních dispergovaných makrokomplexů stává nepříznivou v důsledku vysokých antikoagulačních vlastností fluoridu sodného za hydrotermálních podmínek. Vynález řeší technický problém zvýšení optických a piezoelektrických vlastností krystalů křemene snížením obsahu pevných vměstků. 10 plat, 2 nemocní.
Nárok
1. Hydrotermální způsob pěstování krystalů křemene na semenech z vodného roztoku fluoridu sodného při teplotě 320 až 380 o C, vyznačující se tím, že se fluorid sodný odebírá v množství 0,001 až 0,08 g/l, a růst se provádí při rozdílu teplot ve vodním roztoku od 1,5 do 30 o C a tlaku od 200 do 3000 kg/cm2.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že semeno je vyrobeno ve formě alespoň jedné desky.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že deska je instalována vertikálně ve vodném roztoku.
4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že deska je instalována horizontálně ve vodném roztoku a stíněna kovovou fólií.
5. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že deska je vyrobena s plochou 0,01 až 0,05 m2 a tloušťkou 0,8 až 4 mm.
6. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že deska je vyrobena ve tvaru obdélníku nebo mnohostěnu.
7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodný roztok se umístí do autoklávu a naplní 60 až 90 % jeho objemu.
8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodný roztok obsahuje uhličitan sodný v množství 50 až 80 g/l.
9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodný roztok obsahuje hydroxid sodný v množství od 1 do 7 g/l.
10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodný roztok obsahuje chemickou sloučeninu lithia v množství od 0,01 do 4 g/l.
11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodný roztok obsahuje dusitan sodný v množství 0,01 až 2 g/l.
Popis vynálezu k patentu
Vynález se týká oblasti pěstování monokrystalů z vodných roztoků a je průmyslově využitelný při syntéze optických a piezoelektrických křemenných monokrystalů pro radioelektronickou, optoelektronickou a optickou technologii.
Je známá hydrotermální metoda pro pěstování krystalů křemene, která zahrnuje umístění zárodku do vodného roztoku [US patent 3013867, 1961]. Krystaly jsou syntetizovány z žilky nebo syntetického oxidu křemičitého.
Nevýhodou této metody je vysoký obsah pevných vměstků, které způsobují rozptyl světla a nukleaci růstových dislokací, což zhoršuje optické a piezoelektrické vlastnosti krystalů křemene.
Je znám hydrotermální způsob pěstování krystalů křemene, který zahrnuje umístění semene do vodného roztoku [patent RU 2180368, 2001]. Vodný roztok obsahuje hydroxid sodný do 5 % nebo uhličitan sodný s přídavkem hydroxidu sodného do 0,5 %.
Nevýhodou této metody je vysoký obsah pevných vměstků, které způsobují rozptyl světla a nukleaci růstových dislokací, což zhoršuje optické a piezoelektrické vlastnosti krystalů křemene.
Nejblíže vynálezu je hydrotermální způsob pěstování krystalů křemene na semenech z vodného roztoku fluoridu sodného při teplotě 320 až 400 °C (GB 792724, 02.04.1958. XNUMX. XNUMX).
Pomocí nárokovaného vynálezu je vyřešen technický problém zlepšení optických a piezoelektrických vlastností křemenných krystalů snížením obsahu pevných vměstků.
Problém je řešen tím, že při známém hydrotermálním způsobu pěstování krystalů křemene na semeni z vodného roztoku fluoridu sodného při teplotě od 320 o C do 380 o C se fluorid sodný odebírá v množství od 0,001 g/ l až 0,08 g/l a kultivace se provádí při rozdílu teplot ve vodném roztoku od 1,5 do 30 o C a tlaku od 200 do 3000 kg/cm2.
Zejména může být semeno vyrobeno ve formě alespoň jedné desky. V tomto případě může být deska instalována vertikálně nebo horizontálně ve vodném roztoku. V tomto případě mohou být desky vzájemně odstíněny kovovou fólií. V tomto případě může být deska vyrobena o ploše 0,01 až 0,05 m2 a tloušťce 0,8 až 4,0 mm a může mít tvar obdélníku nebo mnohostěnu.
Zejména může být vodný roztok umístěn do autoklávu a může plnit 60 až 90 % svého objemu.
Zejména může vodný roztok obsahovat uhličitan sodný v množství od 50 do 80 g/l.
Zejména může vodný roztok obsahovat hydroxid sodný v množství od 1 do 7 g/l.
Zejména může vodný roztok obsahovat chemickou sloučeninu lithia v množství od 0,01 do 4 g/l.
Zejména může vodný roztok obsahovat dusitan sodný v množství od 0,01 do 2 g/l.
Podstata vynálezu je následující. Během syntézy monokrystalů křemene se oxid křemičitý rozpouští několika reakcemi různého řádu. Úplná konverze monomerních forem na Si 2 O 6 4- a Si 2 O 7 6- je možná díky komplexaci na [Si(OH) 5 ] – xnH 2 O a [Si(OH) 4 ] – xnOH – . Změna teploty vodného roztoku v horní části autoklávu, koncentrační heterogenita roztoku v blízkosti semene a přesycení roztoku je převádí do metastabilního stavu. To podporuje přenos vysokomolekulárních částic do koloidního systému a tvorbu solů, zatímco soly s nízkou pohyblivostí koagulují. Produkty koagulace alkalicko-křemičitanových komplexů, trvale přítomné v krystalizačním médiu, jsou zachycovány rostoucí plochou krystalu ve formě nestrukturní nečistoty nebo koloidně dispergovaných makrokomplexů (inkluzí). Při zavedení fluoridu sodného do vodného roztoku se tvorba koloidních dispergovaných makrokomplexů stává energeticky nepříznivou v důsledku vysokých antikoagulačních vlastností fluoridu sodného za hydrotermálních podmínek.
Vynález je ilustrován výkresy, kde obr. 1 a 2 znázorňují varianty zařízení (autoklávu), které implementují způsob podle vynálezu.
Na Obr. 1 znázorňuje variantu autoklávu s vodorovně umístěnými semennými deskami 1 připevněnými ke spodní části kovového síta ve tvaru písmene L. Autokláv (obr. 1) se skládá z pouzdra 2, uvnitř kterého je otvor 3 pro termočlánek. Vně krytu jsou umístěny externí ohřívače 4. V horní části autoklávu jsou umístěny nádoby se semeny 5. Teplotní rozdíl se nastavuje pomocí membrány 6, což je ocelový kotouč s otvory. Ve spodní části autoklávu jsou umístěny koše 7 s vsázkou (žilní křemen). Vnitřní ohřívače 8 jsou umístěny uvnitř příruby 9.
Ve spodní části autoklávu se vsázka rozpouští a v horní části rostou na semenech krystaly křemene v důsledku konvekčního přenosu hmoty oxidu křemičitého v důsledku vytváření teplotního rozdílu mezi horní a spodní částí autoklávu.
Obrázek 2 ukazuje variantu autoklávu s vertikálně umístěnými semennými deskami 1. Autokláv (obrázek 2) se skládá ze stejných prvků jako na obrázku 1 a liší se konstrukcí nádob se semeny 5.
Příklad 1. Vodný roztok obsahující 4,0 g/l Na3C1, 1 g/l NaOH a 69 g/l NaF. Desky 2 o ploše 3 m 5 a tloušťce 0,022 mm měly tvar obdélníku. Oxid křemičitý ve formě přírodního žilného křemene byl umístěn v perforovaných ocelových koších. Teplota krystalizace byla 1 °C, rozdíl teplot 0,01456 °C, tlak ve vodném roztoku byl 2 kg/cm1,5. Bylo vypěstováno 335,7 monokrystalů. Jeden optický krystal křemene měl prakticky použitelnou hmotnost 5,1 kg, který obsahoval 680 vměstky o maximální velikosti 2 μm.
Příklad 2. Vodný roztok obsahující 4,0 g/l Na3C1, 2 g/l NaOH a 68 g/l NaF byl nalit do autoklávu o objemu 2 m 3 s vertikálním uspořádáním křemenných monokrystalických zárodečných desek. 5 (obr. 0,022). Desky o ploše 0,0154 m1,5 a tloušťce 337,3 mm měly tvar mnohostěnu. Oxid křemičitý ve formě přírodního žilného křemene byl umístěn v perforovaných ocelových koších. Teplota krystalizace byla 9,6 °C, teplotní rozdíl 670 °C, tlak ve vodném roztoku byl 2 kg/cm1,34. Byl vypěstován monokrystal piezoelektrického křemene s prakticky použitelnou hmotou 1 kg, z toho 3 cm 2 obsahoval 30 inkluze o maximální velikosti XNUMX mikronů.
Jak ukázala zkušenost, při použití nejbližšího analogu byl nejmenší obsah vměstků na 1 cm 3 8 a minimální velikost 40 % z nich přesáhla 50 mikronů.
