Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Т*С
Жидкость
Сегмтсзлектричвскии переход
М Ьб W 30 LijO, 7о (мал.)
56
Рис. 9.6.
NbjCb
Участок диаграммы состояния L12O -
Ж ВаО
U N>2t>5
36 Ш 45 МЪ203
30 ВаО 6 NAZ0
Рис. 9.7. Часть диаграммы состояния системы [9] Ba0-Na20-Nb20s. В центре показан конгруэнтно плавящийся состав
179
Таблица 9.2. Конгруэнтно плавящиеся составы некоторых кислородно-октаэдрических кристаллов
Кристалл Состав конгруэнтного расплава, мол. доли
LiNbOj LiTaCb Ba2NaNb50is BaxSri.xNb206 48,6 Li20:51,4Nb205 48,75 ШЭ: 51,25 Ta2Os 8Na20: 43ВаО: 49 Nb205 19,4 SrO: 19,5ВаО: 61,lNb205
тавливалась из различных исходных реактивов. Поэтому конгруэнтно плавящийся состав необходимо определять и подбирать каждый раз при переходе к выращиванию кристаллов из новой партии шихты. Методы определения стехиометрии кристаллов 1л№>Оз будут рассмотрены позднее.
Соединение LiNb03 имеет довольно широкую область гомогенности, однако кривая, разделяющая на диаграмме состояния однофазную (LiNbCb) и двухфазную (LiNbCb + LiNbsOg) области при температурах, меньших 950 °С, близко подходит к ЫгО = 48,6 % (мол.), а по некоторым данным [13] даже заходит в область, более богатую литием [до 49 % (мол.) 1лгО]. При кристаллизации из конгруэнтно плавящейся шихты выделений фазы LiNbsOg в интервале температур
1300... 1350 К обычно не наблюдается [14], однако при обеднении расплава U2O выпадение второй фазы возможно. Видеть выделение второй фазы можно по появлению опалесценции кристаллов.
Кристаллы LiNbCb, ЫТаОз и Ba2NaNbsOi5 выращиваются методом Чохральского. При выращивании кристаллов этим методом на результат влияют многие факторы. К этим факторам относятся чистота сырья и тигля, точность контроля температуры и атмосферы, качество затравки и условия охлаждения. Параметрами, на которые при выращивании методом Чохральского обращают особое внимание, являются:
G осевой градиент температуры в зоне кристаллизации (в области, имеющей размеры приблизительно по 10 мм в ту и другую сторону от фронта кристаллизации);
VR скорость вращения кристалла;
VL - скорость вытягивания кристалла.
Соотношение между этими характеристиками и их влияние на качество кристалла лучше рассмотреть на примере ниобата лития [15], так как процесс выращивания этих кристаллов изучен наиболее полно. Скорость вытягивания кристалла зависит от градиента температуры на фронте кристаллизации. Отношение GIVL во многом определяет морфологию кристалла и образование в нем трещин. Область значений G и VL, при которых кристаллы могут быть выращены без растрескивания, показана на рис. 9.8. Для LiNb03 при G < 4 К/мм 180
растут скрученные и согнутые кристаллы. Для выращивания кристаллов цилиндрической формы следует поддерживать G > 4 К/мм.
От скорости вращения зависят перемешивание расплава и форма фронта кристаллизации. Плоский фронт кристаллизации возникает при некоторой критической скорости вращения VЕсли VR < У*, то перемешивание расплава определяется разностью температур между стенками тигля и центральной областью расплава. Расплав в осевой зоне тигля движется вниз, а по стенкам вверх.
Таким образом происходит естественная конвекция, и фронт кристаллизации оказывается выпуклым. В этом случае повышается плотность дислокаций и возрастает вероятность растрескивания.
Если VR > то перемешивание расплава определяется динамической конвекцией. Расплав в осевой зоне тигля движется вверх, а по стенкам вниз. Фронт кристаллизации омывается горячим расплавом и становится вогнутым. В этом случае становится трудно поддерживать постоянство диаметра кристалла, возрастает вероятность появления ячеистой структуры.
Величина V*, при которой фронт кристаллизации сохраняется плоским, зависит от ряда параметров, в том числе от диаметра тигля. Скорость перемешивания для естественной конвекции определяется числом Грасгофа (Gr), а для динамической конвекции - числом Рейнольдса (Re):
Gr = ЯРДПЗЗ/и2;
Re = VRd2lu,
где g - ускорение силы тяжести;
d - диаметр кристалла;
Р - коэффициент термического расширения расплава;
D - диаметр тигля;
о = Г|/р,
где Ti - вязкость и р - плотность расплава;
АТ разница температур между центром фронта кристаллизации и стенками тигля.
Для ниобата лития при выращивании кристаллов вплоть до диаметра 80 мм Re < 75 и для определения скоростей восходящей (дина-
181
(9.1)
(9.2)
\,мм/ч
grad Т, к/мм
Рис. 9.8. Диаграмма связи между осевым градиентом температуры и скоростью вытягивания кристаллов LiNbCb:
а - зона, свободная от трещин; б -зона начала образования трещин; в - зона растрескивания
мической) Wd конвекции и нисходящей (естественной) W, конвекции можно использовать выражения
Wd =-0,0129[Gr((//D)2'* (L/Z))0.35]0.73;
(9.3)
d
W, = - 0,002 Re1’6. d
(9.4)
Условие сохранения фронта кристаллизации плоским Wd — Wt. Приравнивая (9.3) и (9.4), можно определить скорость вращения кристалла ниобата лития в зависимости от размеров кристалла и тигля [15]:
Режимы выращивания кристаллов LiNb03, принятые на различных предприятиях, могут несколько отличаться. Однако основные параметры процесса выращивания сохраняются. Для примера приведем условия выращивания кристаллов ниобата лития диаметром 70 мм.
