[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2734936C1 - Method of producing a niobium oxide monocrystal - Google Patents

Method of producing a niobium oxide monocrystal Download PDF

Info

Publication number
RU2734936C1
RU2734936C1 RU2020117919A RU2020117919A RU2734936C1 RU 2734936 C1 RU2734936 C1 RU 2734936C1 RU 2020117919 A RU2020117919 A RU 2020117919A RU 2020117919 A RU2020117919 A RU 2020117919A RU 2734936 C1 RU2734936 C1 RU 2734936C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rod
movement
single crystal
niobium oxide
focal point
Prior art date
Application number
RU2020117919A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Альбина Ахметовна Валеева
Владимир Сергеевич Наумов
Андрей Андреевич Ремпель
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Priority to RU2020117919A priority Critical patent/RU2734936C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2734936C1 publication Critical patent/RU2734936C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/005Continuous growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/04Homogenisation by zone-levelling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/16Heating of the molten zone
    • C30B13/22Heating of the molten zone by irradiation or electric discharge
    • C30B13/24Heating of the molten zone by irradiation or electric discharge using electromagnetic waves
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/28Controlling or regulating
    • C30B13/30Stabilisation or shape controlling of the molten zone, e.g. by concentrators, by electromagnetic fields; Controlling the section of the crystal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/34Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting characterised by the seed, e.g. by its crystallographic orientation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: technologies of materials.
SUBSTANCE: invention relates to the field of materials technology, which can be used in electronics as contacts for capacitors. Method of producing a niobium oxide monocrystal includes crucibleless melting in an optical system using as a starting material a polycrystalline niobium oxide powder in an argon atmosphere under excessive pressure conditions with simultaneous rotary and vertical movement of the stock with the initial material and in the absence of vertical movement of the rod with seed material, wherein melting is carried out using two biellipsoidal mirrors installed in a vertical configuration, and a xenon lamp with power of 5 kW as a radiation source located in the focal point of the lower mirror, wherein the melt zone is located in the focal point of the upper mirror, with adjustment of the density of the light flux falling on the melt zone, mechanical or automatic movement of curtains from stainless steel, at constant pressure of 3-4 bar and rod movement speed with initial material in vertical direction of 7-9 mm/h, note here that rotary movement of both stock with initial material and rod with seed material is performed, equal to 2-4 rpm and 1-2 rpm respectively, both rods rotating in different directions.
EFFECT: invention enables to obtain monocrystal of niobium monoxide of stoichiometric composition NbO1_00, which has a stable ordered structure, contains only one phase, has minimum defectiveness; material is characterized by stability of properties, preserving its properties at high-temperature effects.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области получения материалов, которые могут применяться в электронике в качестве контактов для конденсаторов. The invention relates to the field of obtaining materials that can be used in electronics as contacts for capacitors.

Известен способ получения высокочистого порошка монооксида ниобия (NbO) с использованием в качестве исходной смеси высших оксидов ниобия и порошка или гранул металлического ниобия; включающий нагревание и взаимодействие уплотненной смеси в контролируемой атмосфере до достижения температуры, превышающей 1945°С, при которой NbO переходит в жидкое состояние; последующее затвердевание жидкого NbO и фрагментирование с образованием частиц NbO, используемых для применения в качестве анодов конденсатора. (Патент US 7585486, МПК C01G 33/00, 2009 год).A known method of obtaining a high-purity powder of niobium monoxide (NbO) using as an initial mixture of higher oxides of niobium and powder or granules of metallic niobium; comprising heating and reacting the compacted mixture in a controlled atmosphere until a temperature in excess of 1945 ° C is reached, at which NbO becomes liquid; subsequent solidification of liquid NbO and fragmentation to form NbO particles used for use as capacitor anodes. (Patent US 7585486, IPC C01G 33/00, 2009).

Однако известный способ обеспечивает только получение поликристаллического порошка оксида ниобия, который характеризуется высокой пористостью и значительной дефектностью, а также низкой чистотой за счет неоднофазности полученного продукта. However, the known method provides only the production of a polycrystalline powder of niobium oxide, which is characterized by high porosity and significant defectiveness, as well as low purity due to the multiphase nature of the product obtained.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ получения монокристалла оксида ниобия, который был проведен путем бестигельной зонной плавки в оптической системе плавающей зоны (Optical floating zone system) FZ-T-10000-H-VI-VP (Crystal Systems Inc., Japan). Для роста монокристалла был зашихтован поликристаллический монооксид ниобия из смеси порошков Nb и Nb2O5 сверхстехиометрического состава NbO1.085. Рост монокристалла проводился при следующих условиях: мощность 2400 Вт, скорость роста 8 мм/ч, атмосфера аргона с избыточным давлением 5 бар, поток газа 0.800 л/мин, скорость вращения верхнего штока 13 об/мин, нижний шток оставался неподвижным. Выращенный монокристалл монооксида ниобия HR146 имел серый цвет, монокристалличность была установлена с помощью Лауэграмм. Согласно ренгено-фазовому анализу, монокристалл HR146 является двухфазным, кроме отражений, соответствующих отражениям монооксида ниобия, на рентгенограмме присутствуют отражения примесной фазы NbOx. Состав полученного монокристалла соответствует сверхстехиометрическому составу NbO1.06. Во втором варианте для роста монокристалла был зашихтован монооксид ниобия из смеси порошков Nb и Nb2O5 достехиометрического состава NbO0.974. Рост монокристалла проводился при тех же условиях, указанных выше. Согласно ренгено-фазовому анализу, монокристалл HR156 является однофазным, на рентгенограмме не имеется примесных линий. Указан состав полученного монокристалла, определенный методом ТГА, который соответствует сверхстехиометрическому составу NbO1.005. (Roth Holger, Single crystal growth and electron spectroscopy of d1-systems, 2008, PhD thesis, pp. 32-35, Koln University, http://kups.ub.uni-koeln.de/2335/).The closest in technical essence to the proposed solution is a method for producing a single crystal of niobium oxide, which was carried out by crucible-free zone melting in an optical floating zone system FZ-T-10000-H-VI-VP (Crystal Systems Inc., Japan). For the single crystal growth was zashihtovan polycrystalline niobium monoxide powder mixture of Nb and Nb 2 O 5 superstoichiometric composition NbO 1.085. The growth of the single crystal was carried out under the following conditions: power 2400 W, growth rate 8 mm / h, argon atmosphere with an overpressure of 5 bar, gas flow 0.800 L / min, rotation speed of the upper rod 13 rpm, the lower rod remained stationary. The grown single crystal of niobium monoxide HR146 had a gray color, single crystallinity was established using Lauegrams. According to X-ray phase analysis, the HR146 single crystal is two-phase; in addition to reflections corresponding to reflections of niobium monoxide, the X-ray diffraction pattern contains reflections of the impurity phase NbO x . The composition of the obtained single crystal corresponds to the superstoichiometric composition NbO 1.06 . In the second variant, for the growth of a single crystal, niobium monoxide was charged from a mixture of Nb and Nb 2 O 5 powders of substoichiometric composition NbO 0.974 . The growth of a single crystal was carried out under the same conditions indicated above. According to X-ray phase analysis, the HR156 single crystal is single-phase, there are no impurity lines in the X-ray diffraction pattern. The composition of the obtained single crystal, determined by the TGA method, is indicated, which corresponds to the superstoichiometric composition of NbO 1.005 . (Roth Holger, Single crystal growth and electron spectroscopy of d1-systems, 2008, PhD thesis, pp. 32-35, Koln University, http://kups.ub.uni-koeln.de/2335/ ).

Однако недостатком известного способа (прототипа) является возможность получения только сверхстехиометрического состава монокристалла оксида ниобия, не обеспечивающего в дальнейшем стабильность его свойств, особенно при воздействии высоких температур.However, the disadvantage of the known method (prototype) is the possibility of obtaining only a superstoichiometric composition of a single crystal of niobium oxide, which does not provide further stability of its properties, especially when exposed to high temperatures.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения монокристалла оксида ниобия, обеспечивающего получение монокристалла оксида ниобия стехиометрического состава, который является более стабильным и сохраняет свои свойства при воздействии высоких температур. Thus, the authors were faced with the task of developing a method for producing a single crystal of niobium oxide, providing a single crystal of niobium oxide of stoichiometric composition, which is more stable and retains its properties when exposed to high temperatures.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения монокристалла оксида ниобия, включающем бестигельную зонную плавку в оптической системе с использованием в качестве исходного материала поликристаллического порошка оксида ниобия в атмосфере аргона в условиях избыточного давления при одновременном вращательном и вертикальном движении штока с исходным материалом и в отсутствии вертикального перемещения штока с затравочным материалом, в котором осуществляют плавку с использованием двух биэллипсоидных зеркал, установленных в вертикальной конфигурации, и ксеноновой лампы мощностью 5 кВт в качестве источника излучения, расположенной в фокальной точке нижнего зеркала, при этом зона расплава находится в фокальной точке верхнего зеркала, с регулировкой плотности светового потока, попадающего на зону расплава, механическим или автоматическим перемещением шторок из нержавеющей стали, при постоянном давлении 3-4 бара, и скорости передвижения штока с исходным материалом в вертикальном направлении 7-9 мм/час, при этом обеспечено вращательное движение как штока с исходным материалом, так и штока с затравочным материалом, равное 2-4 об/мин и 1-2 об/мин, соответственно, причем оба штока вращаются в разных направлениях. The problem is solved in the proposed method for producing a single crystal of niobium oxide, including crucible-free zone melting in an optical system using polycrystalline niobium oxide powder as a starting material in an argon atmosphere under conditions of excess pressure with simultaneous rotational and vertical movement of the rod with the source material and in the absence of vertical movement a rod with a seed material, in which melting is carried out using two biellipsoid mirrors installed in a vertical configuration, and a 5 kW xenon lamp as a radiation source located at the focal point of the lower mirror, while the melt zone is at the focal point of the upper mirror, with regulation of the density of the light flux falling on the melt zone, mechanical or automatic movement of stainless steel shutters, at a constant pressure of 3-4 bar, and the speed of movement of the rod with the initial material in the vertical direction of 7-9 mm / h, while the rotational movement of both the rod with the original material and the rod with the seed material is provided, equal to 2-4 rpm and 1-2 rpm, respectively, and both rods rotate in different directions ...

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения монокристалла оксида ниобия путем бестигельной зонной плавки в оптической системе в предлагаемых авторами условиях проведения процесса.At present, from the patent and scientific and technical literature, there is no known method for obtaining a single crystal of niobium oxide by crucible-free zone melting in an optical system under the conditions of the process proposed by the authors.

Известно использование бестигельной оптической зонной плавки для получения особо чистых монокристаллов, в частности, монокристаллов кремния, арсенида галлия, а также ряда тугоплавких металлов и их сплавов. Однако только исследования, проведенные авторами, позволили разработать способ получения монокристалла оксида ниобия стехиометрического состава, имеющего стабильную упорядоченную структуру, который вследствие особенностей своего состава характеризуется стабильностью свойств, в частности при высоких температурах, наряду с высокой чистотой за счет однофазности получаемого продукта. Авторами предлагаются условия проведения процесса, обеспечивающие достижение положительного эффекта, а именно стабильности свойств получаемого продукта наряду с его высокой чистотой. Так, по сравнению с известным способом-прототипом использование системы только из двух биэллипсоидных зеркал, установленных в вертикальной конфигурации, и одной ксеноновой лампы мощностью 5 кВт в качестве источника излучения, расположенной в фокальной точке нижнего зеркала, позволяет повысить температуру рабочей зоны до 2800оС (в способе-прототипе – 2100оС) при более низких значениях избыточного давления (3-4 бар в прдлагаемом способе, 5 бар в известном), что, учитывая высокую температуру плавления NbO ~ 1945 oC, позволяет оперировать зоной расплава в более широком диапазоне температур и получать гомогенный образец по всему составу. Коме того, обеспечивает более высокую скорость роста кристалла (9-11 мм/час в предлагаемом способе, 8 мм/час в известном способе). Использование вращательного движения штока с затравочным материалом и штока с исходным материалом при разных скоростях в противоположных направлениях обеспечивает более равномерное распределение компонентов расплава по объему растущего монокристалла. Применение механического или автоматического перемещение шторок из нержавеющей стали перекрывающих световой поток при постоянной мощности электроэнергии, подаваемой на лампу, обеспечивает более стабильный температурный режим в зоне расплава, что также способствует более равномерному распределению компонентов расплава по объему растущего монокристалла. За счет разной скорости движения верхнего с исходным материалом и нижнего с затравочным материалом штоков происходит вытягивание монокристалла из зоны расплава. В результате выросший монокристалл имеет меньший диаметр (~ 2 мм), чем заготовка (~ 4 мм). It is known to use crucible-free optical zone melting to obtain highly pure single crystals, in particular, silicon single crystals, gallium arsenide, as well as a number of refractory metals and their alloys. However, only the studies carried out by the authors made it possible to develop a method for obtaining a single crystal of niobium oxide of stoichiometric composition having a stable ordered structure, which, due to the peculiarities of its composition, is characterized by stability of properties, in particular at high temperatures, along with high purity due to the single-phase nature of the product obtained. The authors propose the conditions for carrying out the process, ensuring the achievement of a positive effect, namely, the stability of the properties of the resulting product along with its high purity. So, in comparison with the known prototype method, the use of a system of only two biellipsoid mirrors installed in a vertical configuration, and one xenon lamp with a power of 5 kW as a radiation source located at the focal point of the lower mirror, makes it possible to increase the temperature of the working area to 2800 o С (in the prototype method - 2100 o C) at lower values of excess pressure (3-4 bar in the proposed method, 5 bar in the known), which, given the high melting point of NbO ~ 1945 o C, allows you to operate the melt zone in a wider temperature range and obtain a homogeneous sample throughout the composition. Besides, it provides a higher crystal growth rate (9-11 mm / h in the proposed method, 8 mm / h in the known method). The use of the rotary motion of the rod with the seed material and the rod with the original material at different speeds in opposite directions provides a more uniform distribution of the melt components over the volume of the growing single crystal. The use of mechanical or automatic movement of stainless steel shutters, blocking the luminous flux at a constant power of electricity supplied to the lamp, provides a more stable temperature regime in the melt zone, which also contributes to a more uniform distribution of melt components over the volume of the growing single crystal. Due to the different speed of movement of the upper with the initial material and the lower with the seed material of the rods, the single crystal is pulled out of the melt zone. As a result, the grown single crystal has a smaller diameter (~ 2 mm) than the workpiece (~ 4 mm).

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Для осуществления роста монокристалла NbO1.00 используют в качестве исходного материала поликристаллический оксид ниобия NbO1.00, в качестве затравочного материала используют монокристалл NbO1.00. Из поликристалла формируют заготовку с заостренным концом со следующими размерами: 50 мм длинной, 5*5 мм сечение, предварительно спрессованную и спеченную при температуре 1680-1720 oC в течение 2.5-3 часов. Из монокристалла формируют затравку размерами 3*2*1 мм с заостренным концом. Рост монокристалла оксида монооксида ниобия осуществляют бестигельной зонной плавкой в оптической системе с использованием двух биэллипсоидных зеркал, установленных в вертикальной конфигурации, и ксеноновой лампы мощностью 5 кВт в качестве источника излучения, расположенной в фокальной точке нижнего зеркала, при этом зона расплава находится в фокальной точке верхнего зеркала, с регулировкой плотности светового потока, попадающего на зону расплава, механическим или автоматическим перемещением шторок из нержавеющей стали, в атмосфере аргона и при постоянном давлении 3-4 бара, при скорости передвижения штока с исходным материалом в вертикальном направлении 7-9 мм/час, при этом обеспечено вращательное движение как штока с исходным материалом, так и штока с затравочным материалом, равное 2-4 об/мин и 1-2 об/мин, соответственно, причем оба штока вращаются в разных направлениях. В предлагаемых условиях обеспечивается скорость роста монокристалла равная 9-11 мм/час. Кристаллическая структура полученного продукта была исследована методом рентгеновского фазового анализа (ДРОН – 2.0), анализ рентгенограммы (фиг. 2) показал, что монокристалл монооксида ниобия NbO1.00 содержит только одну упорядоченную кубическую фазу со структурой Pm-3m, период кристаллической решетки равен a = 421.2 пм и имеет огранку, состоящую из плоскостей (111). Форма и поверхность монокристаллов была изучена с помощью оптической микроскопии (Альтами МЕТ 1М) и сканирующей электронной микроскопии (Quanta 200 Pegasus (FEI). На фиг. 3 представлена поверхность монокристалла монооксида ниобия, поверхность гладкая, имеется металлический блеск. Для изучения химического и элементного состава выращенного монокристалла был использован EDAX-анализ. Дифракция отраженных электронов (EBSD) была использована для исследования текструры и кристаллографических ориентаций монокристаллов монооксида ниобия. Анализ дифракционной картины и пересечения линий Кикучи подтвердил, что монокристалл монооксида ниобия NbO1.00 имеет огранку, состоящую из плоскостей (111). The proposed method can be implemented as follows. For growth of single crystal NbO 1.00 was used as the starting material polycrystal niobium oxide NbO 1.00, in use NbO 1.00 single crystal as a seed material. A workpiece with a pointed end with the following dimensions is formed from the polycrystal: 50 mm long, 5 * 5 mm cross-section, pre-pressed and sintered at a temperature of 1680-1720 o C for 2.5-3 hours. A seed of 3 * 2 * 1 mm with a pointed end is formed from a single crystal. The growth of a single crystal of niobium monoxide oxide is carried out by crucible-free zone melting in an optical system using two biellipsoid mirrors installed in a vertical configuration and a 5 kW xenon lamp as a radiation source located at the focal point of the lower mirror, while the melt zone is located at the focal point of the upper mirrors, with adjustment of the density of the light flux falling on the melt zone, mechanical or automatic movement of stainless steel shutters, in an argon atmosphere and at a constant pressure of 3-4 bar, at a speed of movement of the rod with the initial material in the vertical direction of 7-9 mm / h , while providing a rotational movement of both the rod with the original material and the rod with the seed material, equal to 2-4 rpm and 1-2 rpm, respectively, and both rods rotate in different directions. Under the proposed conditions, the single crystal growth rate is equal to 9-11 mm / h. The crystal structure of the obtained product was investigated by X-ray phase analysis (DRON-2.0), analysis of the X-ray diffraction pattern (Fig. 2) showed that a single crystal of niobium monoxide NbO 1.00 contains only one ordered cubic phase with the Pm-3m structure, the lattice period is a = 421.2 pm and has a faceting consisting of planes (111). The shape and surface of the single crystals were studied using optical microscopy (Altami MET 1M) and scanning electron microscopy (Quanta 200 Pegasus (FEI). Fig. 3 shows the surface of a single crystal of niobium monoxide, the surface is smooth, there is a metallic luster. To study the chemical and elemental composition EDAX analysis was used for the grown single crystal. Electron Backscatter Diffraction (EBSD) was used to study the texture and crystallographic orientations of niobium monoxide single crystals. Analysis of the diffraction pattern and intersection of the Kikuchi lines confirmed that the single crystal of niobium monoxide NbO 1.00 has a facet consisting of ...

На фиг. 1 представлена фотография полученного монокристалла монооксида ниобия NbO1.00. Образец имеет металлический блеск, размеры образца ~ 18 мм в длину и 2-4 мм в диаметре. FIG. 1 shows a photograph of the obtained single crystal of niobium monoxide NbO 1.00 . The sample has a metallic luster, the sample size is ~ 18 mm in length and 2-4 mm in diameter.

На фиг.2 приведена рентгенограммы монокристалла монооксида ниобия NbO1.00.Figure 2 shows an X-ray diffraction pattern of a single crystal of niobium monoxide NbO 1.00 .

На фиг. 3 представлена поверхность монокристалла монооксида ниобия NbO1.00. FIG. 3 shows the surface of a single crystal of niobium monoxide NbO 1.00.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.The proposed technical solution is illustrated by the following examples.

Пример 1. Для осуществления роста монокристалла NbO1.00 используют в качестве исходного материала поликристаллический оксид ниобия NbO1.00, имеющий такие свойства: состав - 100 масс.% NbO1.00; период кристаллической решетки a = 421.21 пм; размер зерен 30 мкм; плотность 7.27 г/см3, удельная поверхность 0.01 м2/г; в качестве затравочного материала используют монокристалл NbO1.00. Из поликристалла формируют заготовку с заостренным концом со следующими размерами: 50 мм длинной, 5*5 мм сечение, предварительно спрессованную и спеченную при температуре 1680 oC в течение 3 часов. Из монокристалла формируют затравку размерами 3*2*1 мм с заостренным концом. Рост монокристалла оксида монооксида ниобия осуществляют бестигельной зонной плавкой в оптической системе на установке УРН-2-3П (Московский энергетический институт, Москва, Россия) с использованием двух биэллипсоидных зеркал, установленных в вертикальной конфигурации, и ксеноновой лампы мощностью 5 кВт в качестве источника излучения, расположенной в фокальной точке нижнего зеркала, при этом зона расплава находится в фокальной точке верхнего зеркала, с регулировкой плотности светового потока, попадающего на зону расплава, механическим или автоматическим перемещением шторок из нержавеющей стали, в атмосфере аргона и при постоянном давлении 3 бара, при скорости передвижения штока с исходным материалом в вертикальном направлении 7 мм/час, при этом обеспечено вращательное движение как штока с исходным материалом, так и штока с затравочным материалом, равное 2 об/мин и 1 об/мин, соответственно, причем оба штока вращаются в разных направлениях. В предлагаемых условиях обеспечивается скорость роста монокристалла равная 9 мм/час. Получают однофазный монокристалл монооксида ниобия стехиометрического состава NbO1.00, который имеет стабильную упорядоченную структуру (пространственная группа Pm-3m), период кубической решетки a = 421.21 пм, имеет огранку, состоящую из плоскостей (111).Example 1. To perform single crystal growth NbO 1.00 was used as the starting material polycrystal niobium oxide NbO 1.00, having the following properties: composition - 100 wt% NbO 1.00;. lattice period a = 421.21 pm; grain size 30 microns; density 7.27 g / cm 3 , specific surface 0.01 m 2 / g; a single crystal of NbO 1.00 is used as a seed material. A preform with a pointed end with the following dimensions is formed from the polycrystal: 50 mm long, 5 * 5 mm cross-section, pre-pressed and sintered at a temperature of 1680 o C for 3 hours. A seed of 3 * 2 * 1 mm with a pointed end is formed from a single crystal. The growth of a single crystal of niobium monoxide oxide is carried out by crucible-free zone melting in an optical system on an URN-2-3P installation (Moscow Power Engineering Institute, Moscow, Russia) using two biellipsoid mirrors installed in a vertical configuration and a 5 kW xenon lamp as a radiation source, located at the focal point of the lower mirror, while the melt zone is located at the focal point of the upper mirror, with the adjustment of the density of the light flux falling on the melt zone, mechanical or automatic movement of stainless steel shutters, in an argon atmosphere and at a constant pressure of 3 bar, at a speed movement of the rod with the starting material in the vertical direction of 7 mm / h, while ensuring the rotational movement of both the rod with the starting material and the rod with the seed material, equal to 2 rpm and 1 rpm, respectively, and both rods rotate in different directions. Under the proposed conditions, a single crystal growth rate of 9 mm / h is provided. A single-phase single crystal of niobium monoxide of stoichiometric composition NbO 1.00 is obtained, which has a stable ordered structure (space group Pm-3m), a cubic lattice period a = 421.21 pm, and has a facet consisting of (111) planes.

Пример 2. Для осуществления роста монокристалла NbO1.00 используют в качестве исходного материала поликристаллический оксид ниобия NbO1.00, имеющий такие свойства: состав - 100 масс.% NbO1.00; период кристаллической решетки a = 421.21 пм; размер зерен 30 мкм; плотность 7.27 г/см3, удельная поверхность 0.01 м2/г; в качестве затравочного материала используют монокристалл NbO1.00. Из поликристалла формируют заготовку с заостренным концом со следующими размерами: 50 мм длинной, 5*5 мм сечение, предварительно спрессованную и спеченную при температуре 1680 oC в течение 3 часов. Из монокристалла формируют затравку размерами 3*2*1 мм с заостренным концом. Рост монокристалла оксида монооксида ниобия осуществляют бестигельной зонной плавкой в оптической системе на установке УРН-2-3П (Московский энергетический институт, Москва, Россия) с использованием двух биэллипсоидных зеркал, установленных в вертикальной конфигурации, и ксеноновой лампы мощностью 5 кВт в качестве источника излучения, расположенной в фокальной точке нижнего зеркала, при этом зона расплава находится в фокальной точке верхнего зеркала, с регулировкой плотности светового потока, попадающего на зону расплава, механическим или автоматическим перемещением шторок из нержавеющей стали, в атмосфере аргона и при постоянном давлении 4 бара, при скорости передвижения штока с исходным материалом в вертикальном направлении 9 мм/час, при этом обеспечено вращательное движение как штока с исходным материалом, так и штока с затравочным материалом, равное 4 об/мин и 2 об/мин, соответственно, причем оба штока вращаются в разных направлениях. В предлагаемых условиях обеспечивается скорость роста монокристалла равная 11 мм/час. Получают однофазный монокристалл монооксида ниобия стехиометрического состава NbO1.00, который имеет стабильную упорядоченную структуру (пространственная группа Pm-3m), период кубической решетки a = 421.21 пм, имеет огранку, состоящую из плоскостей (111).EXAMPLE 2 For the implementation of the single crystal growth NbO 1.00 was used as the starting material polycrystal niobium oxide NbO 1.00, having the following properties: composition - 100 wt% NbO 1.00;. lattice period a = 421.21 pm; grain size 30 microns; density 7.27 g / cm 3 , specific surface 0.01 m 2 / g; a single crystal of NbO 1.00 is used as a seed material. A preform with a pointed end with the following dimensions is formed from the polycrystal: 50 mm long, 5 * 5 mm cross-section, pre-pressed and sintered at a temperature of 1680 o C for 3 hours. A seed of 3 * 2 * 1 mm in size with a pointed end is formed from a single crystal. The growth of a single crystal of niobium monoxide oxide is carried out by crucible-free zone melting in an optical system on an URN-2-3P installation (Moscow Power Engineering Institute, Moscow, Russia) using two biellipsoid mirrors installed in a vertical configuration and a 5 kW xenon lamp as a radiation source, located at the focal point of the lower mirror, while the melt zone is located at the focal point of the upper mirror, with the adjustment of the density of the light flux falling on the melt zone, mechanical or automatic movement of stainless steel shutters, in an argon atmosphere and at a constant pressure of 4 bar, at a speed movement of the rod with the initial material in the vertical direction of 9 mm / h, while ensuring the rotational movement of both the rod with the initial material and the rod with the seed material, equal to 4 rpm and 2 rpm, respectively, and both rods rotate in different directions. Under the proposed conditions, a single crystal growth rate of 11 mm / h is provided. A single-phase single crystal of niobium monoxide of stoichiometric composition NbO 1.00 is obtained, which has a stable ordered structure (space group Pm-3m), a cubic lattice period a = 421.21 pm, and has a facet consisting of (111) planes.

Таким образом, авторами предлагается способ получения монокристалла оксида ниобия, обеспечивающий получение монокристалла монооксида ниобия стехиометрического состава NbO1.00, который имеет стабильную упорядоченную структуру, содержит только одну фазу, обладает минимальной дефектностью. Материал характеризуется стабильностью свойств, сохраняя свои свойства при высокотемпературных воздействиях.Thus, the authors propose a method for obtaining a single crystal of niobium oxide, which ensures the production of a single crystal of niobium monoxide of stoichiometric composition NbO 1.00 , which has a stable ordered structure, contains only one phase, and has a minimum defectiveness. The material is characterized by stability of properties, retaining its properties under high-temperature exposure.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (проект № 19-73-20012) в ИХТТ Уро РАН и ОИ «ФТИК» (ИФМ УрО РАН).This work was financially supported by the Russian Science Foundation (project no. 19-73-20012) at the Institute of Chemical Technology of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences and the OI "FTIK" (IPM UB RAS).

Claims (1)

Способ получения монокристалла оксида ниобия, включающий бестигельную зонную плавку в оптической системе с использованием в качестве исходного материала поликристаллического порошка оксида ниобия в атмосфере аргона в условиях избыточного давления при одновременном вращательном и вертикальном движении штока с исходным материалом и в отсутствии вертикального перемещения штока с затравочным материалом, отличающийся тем, что осуществляют плавку с использованием двух биэллипсоидных зеркал, установленных в вертикальной конфигурации, и ксеноновой лампы мощностью 5 кВт в качестве источника излучения, расположенной в фокальной точке нижнего зеркала, при этом зона расплава находится в фокальной точке верхнего зеркала, с регулировкой плотности светового потока, попадающего на зону расплава, механическим или автоматическим перемещением шторок из нержавеющей стали, при постоянном давлении 3-4 бар и скорости передвижения штока с исходным материалом в вертикальном направлении 7-9 мм/ч, при этом обеспечено вращательное движение как штока с исходным материалом, так и штока с затравочным материалом, равное 2-4 об/мин и 1-2 об/мин соответственно, причем оба штока вращаются в разных направлениях. A method for producing a single crystal of niobium oxide, including crucible-free zone melting in an optical system using polycrystalline niobium oxide powder as a starting material in an argon atmosphere under conditions of excess pressure with simultaneous rotational and vertical movement of the rod with the starting material and in the absence of vertical movement of the rod with the seed material, characterized in that melting is carried out using two biellipsoid mirrors installed in a vertical configuration, and a 5 kW xenon lamp as a radiation source located at the focal point of the lower mirror, while the melt zone is located at the focal point of the upper mirror, with adjustment of the light density flow entering the melt zone, by mechanical or automatic movement of stainless steel shutters, at a constant pressure of 3-4 bar and a speed of movement of the rod with the initial material in the vertical direction of 7-9 mm / h, while about The rotational movement of both the rod with the initial material and the rod with the seed material is provided, equal to 2-4 rpm and 1-2 rpm, respectively, and both rods rotate in different directions.
RU2020117919A 2020-06-01 2020-06-01 Method of producing a niobium oxide monocrystal RU2734936C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117919A RU2734936C1 (en) 2020-06-01 2020-06-01 Method of producing a niobium oxide monocrystal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117919A RU2734936C1 (en) 2020-06-01 2020-06-01 Method of producing a niobium oxide monocrystal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2734936C1 true RU2734936C1 (en) 2020-10-26

Family

ID=72949107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020117919A RU2734936C1 (en) 2020-06-01 2020-06-01 Method of producing a niobium oxide monocrystal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2734936C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU244306A1 (en) * 1967-07-15 1978-06-30 Московский энергетический институт Arrangement for crucibleless zone melting
JP2007099602A (en) * 2005-10-07 2007-04-19 Crystal System:Kk Floating zone melting device
US20100307406A1 (en) * 2007-12-25 2010-12-09 Isamu Shindo Floating zone melting apparatus
JP2013224237A (en) * 2012-04-23 2013-10-31 Univ Of Yamanashi Multi-light source centralized heating apparatus
RU2656331C1 (en) * 2017-10-17 2018-06-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Device for growing monocrystals

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU244306A1 (en) * 1967-07-15 1978-06-30 Московский энергетический институт Arrangement for crucibleless zone melting
JP2007099602A (en) * 2005-10-07 2007-04-19 Crystal System:Kk Floating zone melting device
US20100307406A1 (en) * 2007-12-25 2010-12-09 Isamu Shindo Floating zone melting apparatus
JP2013224237A (en) * 2012-04-23 2013-10-31 Univ Of Yamanashi Multi-light source centralized heating apparatus
RU2656331C1 (en) * 2017-10-17 2018-06-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Device for growing monocrystals

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DABKOWSKA H.A. et al., Crystal growth of oxides by optical floating zone technique, "Springer Handbook of Crystal Growth. Crystal Growth from Melt Techniques", 2010, 367-391. *
HOLGER ROTH, Single crystal growth and electron spectroscopy of d1-systems, Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat der Universitat zu Koln, 2008, 22-24, 32-35. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cima et al. Influence of growth parameters on the microstructure of directionally solidified Bi2Sr2CaCu2Oy
David et al. Transmission electron microscopy study of the reaction mechanisms involved in the carbothermal reduction of anatase
RU2734936C1 (en) Method of producing a niobium oxide monocrystal
Glebovsky et al. Electron-beam floating zone melting of refractory metals and alloys: art and science
Réjasse et al. TEM study of the reaction mechanisms involved in the carbothermal reduction of hafnia
CN113668053B (en) Black phosphorus film reaction device and black phosphorus film preparation method
Yaokawa et al. Growth of CaSi2 single-phase polycrystalline ingots using the phase relationship between CaSi2 and associated phases
Liu et al. Spontaneous growth of hexagonal ZrB 2 nanoplates driven by a screw dislocation mechanism
Starostin et al. Microstructure and crystallographic phase textures of the alumina-zirconia eutectics
Ok et al. Solidification microstructure of as-cast Mg–Zn–Y alloys
EP0078830A1 (en) Method of growing crystalline cadmium mercury telluride and crystalline cadmium mercury telluride grown by the method.
Glebovsky et al. Growing single crystals of high-purity refractory metals by electron-beam zone melting
Chen et al. Morphologies of nanostructured bismuth sulfide prepared by different synthesis routes
Otani et al. Preparation of LaB6 single crystals by the floating zone method
RU2792517C1 (en) Method for obtaining a monocrystal of titanium dioxide
JP4609207B2 (en) Periodic table group 13 metal nitride crystal manufacturing method and semiconductor device manufacturing method using the same
Gadkari The homogeneous and entire detached In0. 5Ga0. 5Sb alloy crystals grown by the slow freezing using novel VDS-process
Isawa et al. Crystal growth of YCuO2 delafossite containing triangular Cu planes
CN104032372B (en) A kind of ZnO/VO2Compound thermal phase change material and preparation method
Maxwell et al. Growth of normally-immiscible materials (NIMs), binary alloys, and metallic fibers by hyperbaric laser chemical vapor deposition
Takahashi et al. Synthesis of nanocrystalline diamond films on molybdenum substrate by flame combustion method
CN111286786B (en) Preparation method of beta-phase Ti2448 biomedical alloy single crystal containing alpha + alpha' phase and single crystal
JPS5938193B2 (en) Manufacturing method of corundum single crystal that emits starry colors
Rouanet et al. YxZr1-xO2-x/2 Nanophase powders prepared by a vaporization/condensation process in a solar furnace
RU2626637C1 (en) Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Change in inventorship

Effective date: 20210219