Спосіб одержання монокристалу ga5,46ln4,47er0,07s15

Реферат: Спосіб одержання монокристалу Ga5,46ln4,47Er0,07S15 включає складання шихти з простих речовин Ga, In, S, Er, вирощування монокристалу на основі попереднього синтезованого полікристалічного зразка. До шихти, складеної з вихідних компонентів Ga, In, S, додають легуючу домішку Еr (0,3 ат.%), а нагрівання проводять до 1190-1200 K, наступний ріст монокристалу методом Бріджмена здійснюють у ампулі з конічним дном, із зоною відпалу 11751185 K, градієнтом температури на фронті кристалізації 2 K/мм, зі швидкістю вирощування 5-10 K/добу, гомогенізуючим відпалом протягом 100 годин, остаточним охолодженням монокристалу в режимі вимкнутої печі. UA 115554 U (12) UA 115554 U UA 115554 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі одержання монокристалів і може бути використана для отримання напівпровідників. Ербій-леговані напівпровідникові матеріали використовують в лазерній техніці та телекомунікаційних пристроях завдяки високій ефективності люмінесцентного випромінювання. Заміна дорогого Ge у напівпровідникових сполуках дешевшими Ga, In при високій ефективності випромінювання значно розширить застосування таких матеріалів в оптоелектронній техніці. Найбільш близьким до способу одержання монокристалів Ga5,46ln4,47Er0,07S15 є спосіб вирощування монокристалів GaInS3 методом хімічної транспортної реакції на основі попередньо синтезованого полікристалічного зразка з елементарних компонентів Ga, In, S [Див. R. Nitsche. Crystal growth and phase investigations in multi-component systems by vapour transport, J. Crys. Growth, 1971. - V. 9. - Р. 238-243]. При такому методі вирощування отримують монокристали недостатньо великих розмірів та невизначеного стехіометричного складу, що є суттєвим недоліком такого способу вирощування монокристалів. Також відомо про легування 3+ монокристалів іонами Но [Див. M.S. Jin, Y.G. Kim, H.L. Park, W.T. Kim. Photoluminescence of Ga2S3:Ho single crystal, J. Korean Phys. Soc, 2001. - V. 39. - Р. 97-100], нами ж запропоновано 3+ легування монокристалів іонами Еr . Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, є можливість отримання великогабаритних монокристалів з визначеним стехіометричним складом шляхом зміни операцій технологічного процесу та їх параметрів. Поставлена задача вирішується тим, що включає складання шихти з простих речовин Ga, In, S, Er, вирощування монокристалу на основі попереднього синтезованого полікристалічного зразка і, згідно з корисною моделлю, до шихти, складеної з вихідних компонентів Ga, In, S, додають легуючу домішку Еr (0,3 ат. %), а нагрівання проводять до 1190-1200 К, наступний ріст монокристалу методом Бріджмена здійснюють у ампулі з конічним дном, із зоною відпалу 11751185 К, градієнтом температури на фронті кристалізації 2 К/мм, зі швидкістю вирощування 5-10 К/добу, гомогенізуючим відпалом протягом 100 годин, і остаточним охолодженням монокристалу в режимі вимкнутої печі. Спосіб одержання монокристалів Ga5,46ln4,47Er0,07S15 реалізують таким чином. Монокристал Ga5,46ln4,47Er0,07S15 вирощували розчин-розплавним методом з області первинної кристалізації сполуки Ga5,5Ih4,5S15, яка утворюється за перитектичною реакцією в системі Ga2S3-In2S3 [Див. Ivashchenko I.A., Danylyuk I.V., Olekseyuk I.D., Pankevych V.Z., Halyan V.V., Phase equilibria in the quasiternary system Ag2S-Ga2S3-In2S3 and optical properties of (Ga55ln45)2Se300, (Ga54,59ln44,66Er0,75)2Se300 single crystals, J. Solid State Chem., 2015. - V. 227. - Р. 255-264]. Синтез полікристалічного сплаву і ріст кристалу проводились в одній графітизованій кварцовій ампулі з дном у вигляді конусу, яку вакуумували до залишкового тиску 0,1 Па та запаювали. Шихта компонувалася із простих елементів високого ступеня чистоти (99,9999 мас. % основного компонента, S додатково очищували вакуумною перегонкою). Синтез вихідного зразка проводили при температурі 1190-1200 К. Процес росту проходив у вертикальній двозонній печі, при максимальній температурі 1190-1200 К, а зони відпалу 1175…1185 К, градієнт температури на фронті кристалізації складав 2 К/мм. Після розплавлення шихти ампулу опускали зі швидкістю 5…10 мм/добу. Як тільки пройшла кристалізація 8-10 мм сполуки, протягом 100-105 годин здійснювали відпал, після якого проводили в зворотному напрямі розплавлення 6-8 мм закристалізованої сполуки. Далі проводили вирощування монокристалу при швидкості опускання 5…10 мм/добу. Після завершення процесу росту, високотемпературну зону печі охолоджували до 810-840 К зі швидкістю 50-70 К/добу, проводили гомогенізуючий відпал протягом 100-110 годин, після чого охолоджували в режимі виключеної печі. В результаті отримали оранжево-жовтий монокристал, діаметром 14 мм, довжиною 20 мм. Були виготовлені проби та знята дифрактограма (крок сканування 0,05°, час експозиції - 2327 сек.), яка показала відсутність інших фаз. Зразок Ga5,46ln4,47Er0,07S15 проіндексований в гексагональній сингонії, пр. гр. Р61 а=0,6657(5) нм, с=1,796(2) нм. Для дослідження фізичних властивостей вибирали середню частину монокристалів. Зразки, для дослідження спектрів люмінесценції, готували у вигляді плоскопаралельних пластин з поверхнями оптичної якості. Збудження сигналу проводили лазером LDM532U потужністю 150 мВт із максимумом випромінювання 532 і 980 нм, при температурах 80 і 300 К. Приймання сигналу фотолюмінесценції здійснювали з допомогою монохроматора МДР-206 та фотоприймачів на основі Si (в діапазоні 400-1000 нм) та PbS (в діапазоні 1000-2000 нм). Приймання сигналу здійснювали із тієї ж поверхні зразка, що і збудження. В монокристалі Ga5,46ln4,47Er0,07S15 зафіксували вузькі смуги поглинання із максимумами 530, 4 660, 810, 980, 1530 нм, що відповідають внутрішньоцентровим переходам із основного І15/2 на 1 UA 115554 U 2 5 10 15 20 25 4 4 4 4 3+ збуджені рівні Н11/2, F9/2, І9/2, І11/2, І13/2 в іоні Ег , відповідно. Крім цього дослідження спектрів оптичного поглинання показало, що довжина хвилі 532 нм знаходиться на краю фундаментального поглинання монокристалу Ga5,46ln4,47Er0,07S15. На фіг. 1-3 показано спектри інфрачервоної фотолюмінесценції (ФЛ) в спектральному інтервалі 1450-1650 нм при 80 і 300 К. Як бачимо при температурі 80 К (фіг. 1) інтенсивність ФЛ при збудженні довжиною хвилі 980 і 532 нм приблизно однакова і максимум знаходиться при 1530 нм. При збудженні кристалу вказаними довжинами хвиль енергія світлових квантів 4 2 безпосередньо передається іонам ербію, тобто відбувається перехід І 15/2 І11/2, І15/2 Н11/2 в 4f3+ оболонці іонів Еr . Отже, при низьких температурах при обох довжинах хвиль (λ eх = 532; 980 нм) відбувається, в основному, резонансне збудження іонів ербію, тому інтенсивність ФЛ приблизно однакова. При кімнатній температурі інтенсивність люмінесценції при збудженні 980 нм у 9 разів вища ніж при збудженні 532 нм (фіг. 2). При цій температурі, внаслідок збільшення концентрації фононів, зростає ймовірність переходу електронів на вільні енергетичні рівні в зону провідності, які під дією світла 532 нм потрапили на край фундаментального поглинання. Інтенсивність ФЛ при такому збудженні залежатиме від механізму і часу міграції енергії до іонів ербію. Внаслідок цього ми одержали меншу інтенсивність ФЛ при λ eх = 532 нм ніж при λeх = 980 нм (фіг. 2). Як видно із фіг. 2, 3 змінюється як інтенсивність випромінювання так і півширина смуг ФЛ. Нормовані графіки ФЛ (фіг. 3) свідчать, що при кімнатній температурі форма спектрів при різних довжинах хвиль збудження незначно відрізняється та на 5 нм зміщується максимум випромінювання ФЛ. Оскільки спектр ФЛ при збуджені 532 нм проявляє деяку структуру, ми розбили його на гаусові підсмуги. Вузьку підсмугу (II) асоціюють із випромінюванням іонів ербію, які рівномірно розподілені по матриці і знаходяться далеко від крупних структурних дефектів. 3+ Широкі підсмуги (І, III, IV) пов'язують із переходами між енергетичними рівнями в іонах Еr , які знаходяться близько неоднорідкостей. Це узгоджується з фактом розширення смуг люмінесценції, в яких центри випромінювання знаходяться в полі дислокацій або інших неоднорідностей. Отже, за способом, що заявляється, отримано великогабаритний легований Еr монокристал з недорогої сировини та з високою інтенсивністю люмінесцентного випромінювання при збуджені інфрачервоним джерелом. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб одержання монокристалу Ga5,46ln4,47Er0,07S15, який включає складання шихти з простих речовин Ga, In, S, Er, вирощування монокристалу на основі попереднього синтезованого полікристалічного зразка, який відрізняється тим, що до шихти, складеної з вихідних компонентів Ga, In, S, додають легуючу домішку Еr (0,3 ат. %), а нагрівання проводять до 11901200 K, наступний ріст монокристалу методом Бріджмена здійснюють у ампулі з конічним дном, із зоною відпалу 1175-1185 K, градієнтом температури на фронті кристалізації 2 K/мм, зі швидкістю вирощування 5-10 K/добу, гомогенізуючим відпалом протягом 100 годин, остаточним охолодженням монокристалу в режимі вимкнутої печі. 2 UA 115554 U 3 UA 115554 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4