Fomos-Materials
10 subscribers

Лангасит. Нераскрытый потенциал!

Окружающий нас мир полон самых разнообразных материалов, веществ, химических соединений и т.д. Каждый материал обладает определённым набором физико-химических свойств и имеет свои недостатки и преимущества. Многие учёные и исследователи в лабораториях и центрах коллективного пользования, используют данное им время на то, чтобы усовершенствовать тот или иной материал, избавив от недостатков, тем самым повысив его качество, что, в свою очередь, позволит расширить спектр возможного применения. В данном направлении работают высококвалифицированные специалисты АО «Фомос-Материалы», на предприятии выращиваются кристаллы, на базе которых изготавливаются приборы, применяющиеся во всех перспективных областях науки и техники. Давайте поднимем занавес и познакомимся с весьма необычным и уникальным кристаллом – лангасит.

Photo by Michael Longmire on Unsplash
Photo by Michael Longmire on Unsplash

У многих людей может возникнуть вопрос: «а как же выращивают кристаллы?». К большому сожалению, коротко ответить на него нет возможности, так как существует большое количество различных методик используемых для выращивания кристаллов. Для общего ознакомления перечислим некоторые: метод Бриджмена-Стокбаргера, метод Степанова, метод Вернейля и т.д. Каждый метод используется для выращивания того или иного соединения, методом Степанова выращивают монокристаллические сапфиры, методом Вернейля рубины, однако стоит вопрос: «каким же методом выращивается наш «подопечный»?». И так кристаллы лангасита выращиваются самым популярным промышленным методом, по которому выращиваются 90% кристаллов кремния, знакомьтесь метод Чохральского.

Метод был разработан польским химиком Яном Чохральским более 100 лет назад. Суть метода Чохральского заключается в стабильном росте монокристаллов за счет вытягивания из расплава с помощью затравочного кристалла, такого же состава и ориентации, как и выращиваемый монокристалл. Коротко опишем основные моменты и особенности технологии для выращивания кристаллов лангасита.

Схематическое изображение выращивания кристаллов методом Чохральского
Схематическое изображение выращивания кристаллов методом Чохральского

В тигель загружается шихта состоящая из оксидов лантана, кремния и металлического галлия, данные порошки смешивают с учетом стехиометрических пропорций и начинается процесс нагревания до определенной температуры выше температуры плавления. После в расплав вводится затравка, выдерживается некоторое время и начинает подниматься, вращаясь со скоростью в диапазоне 10-20 об/мин и вытягивая монокристалл с незначительной скоростью 2-3 мм/ч. Начинается вытягивание монокристалла в более холодную зону. После того как кристаллизация на конце затравки началась, растет монокристалл длиной в несколько сантиметром, а после происходит формирование основной массы монокристалла за счет плавного понижения температур в расплаве. К завершению процесса температуру вновь поднимают выше температуры, при которой происходил рост для формирования обратного конуса в несколько миллиметров. Далее происходит длительный высокотемпературный отжиг, необходимый для снятия термомеханических напряжений. После температуру медленно понижают до комнатной и монокристалл извлекают из ростовой установки. Однако вы зададитесь вопросом: «Почему именно этим методом выращивают монокристаллы лангасита?». Ответ прост метод Чохральского имеет преимущества по сравнению с аналогичными методами роста монокристаллов:

Одно из важнейших преимуществ данного метода - постоянство скорости роста. Это способствует получению более совершенных монокристаллов с правильной ориентацией, упорядоченной кристаллической структурой, определенными оптическими и электрическими параметрами, высокой чистотой монокристалла и другими свойствами.  Вытягивания монокристалла в свободном пространстве позволяет исключить образования паразитных зародышей на  стенках тигля, что тоже приводит к нарушению структуры кристаллической решетки монокристалла и образованию несовершенств. Бесконтактный рост со стенками тигля не допускает попадание примесей в монокристалл.

ЛГС - лантан галлиевый силикат (лангасит)
ЛГС - лантан галлиевый силикат (лангасит)

И так мы коротко ознакомились с методикой получения монокристаллов лангасита, применяемой в промышленном производстве, но что же такого уникального в этом материале? Лангасит обладает рядом уникальных оптических свойств. Дело в том, что кристаллы лангасита оптически прозрачны в диапазоне длин волн 0,24-6,5 мкм, а показатель преломления обыкновенного луча составляет 1,88, необыкновенного — 1,89, на длине волны 1 мкм. Благодаря таким характеристикам данный материал нашёл свое применение в качестве нелинейного кристалла для перестраиваемых лазеров, матрицы для легирования редкоземельными элементами, материала для генерации оптических гармоник, а также сцинтилляционных кристаллов.

Photo by  Opt Lasers  on  Unsplash
Photo by Opt Lasers on Unsplash

Но в чём же его преимущества над другими нелинейно оптическими кристаллами?? Нецентросимметричные кристаллы, а именно к ним относится лангасит, проявляют ряд специфических свойств, в частности являются полярными и обладают оптической активностью – способностью вызывать поворот плоскости поляризации проходящего через них монохроматического плоскополяризованного света. Кристаллы лангасита обладают уникальным сочетанием оптико-физических свойств: электрооптическим и пьезооптическим эффектами, линейным и циркулярным дихроизмом. Это обстоятельство создает возможности для широкого использования данных кристаллов в лазерной технике. Ряд исследований электрооптических коэффициентов кристаллов группы ЛГС свидетельствуют о возможности изготовления из ЛГС электрооптических затворов с полуволновым напряжением 2250 В для лазеров малой и средней мощности и позволяет частично заменить традиционно используемые кристаллы: дигидрофосфат калия (KDP), основным недостатком которого является высокая гигроскопичность, и пироэлектрик – ниобат лития, имеющий низкую лазерную стойкость. Лангасит, активированный ионами Nd3+ или Cr3+ , может быть использован в качестве сред активных элементов в импульсных (до пикосекундного диапазона) и непрерывных лазерах, генерирующих в ближнем ИК-диапазоне как на фиксированных частотах, так и в режиме перестройки длины волны стимулированного излучения. Монокристаллы лангасита, не уступают по своим кристаллохимическим возможностям гранатам и являются высококонцентрированными неодимовыми лазерными материалами.

Почему же тогда кристаллы лангасита не используются в фотонике на полную мощность?

На данный момент не решённым является вопрос получения данных кристаллов высокого оптического качества необходимого для применения в фотонике, необходимо дальнейшее совершенствование технологии их синтеза и выращивания, а также физико-химической и химико-механической обработки заготовок на всех этапах технологического цикла с применением новейших методов микроструктурных исследований – рентген-дифракционной и атомно-силовой микроскопии.

Автор: Анатолий Мололкин, к.ф.-м.н.

Если Вам интересна эта тема, пожалуйста, посетите сайт нашей компании: newpiezo.com .

Ссылки на социальные сети: Instagram , facebook , twitter, vk, YouTube

Фотографии взяты отсюда:

  1. Photo by Michael Longmire on Unsplash
  2. Photo by Opt Lasers on Unsplash