Результат интеллектуальной деятельности: Способ выращивания монокристаллической пленки FeBO на диамагнитной подложке

Техническое решение относится к области получения монокристаллической пленки FeBO₃ на диамагнитной подложке для магнитных, оптических, магнитооптических и резонансных исследований.

В качестве прототипа выбран способ выращивания монокристаллов Fe_xGa_1-xBO₃ с заданной концентрацией ионов Fe и Ga (патент №73171, UA, 2012 г.).

В этом способе шихту массой 250 г ((Fe₂O₃ + Ga₂O₃) - 18,6 мас. %, В₂О₃ - 42,4 мас. %, PbO - 27,3 мас. %, PbF₂ - 11,7 мас. %) наплавляют в платиновый тигель объемом 90 см³ при температуре 900°С. После наплавления шихты тигель устанавливают в печь электрического сопротивления. Температуру в печи за 3,5 часа поднимают до Т=900°С и выдерживают 24 ч с перемешиванием раствора-расплава при скорости вращения мешалки ω=60 об/мин. Затем мешалку отключают и понижают температуру за 20 мин до 800°C с последующей выдержкой и перемешиванием (ω=60 об/мин) в течение 2 ч. Затем температуру понижают до 760°С со скоростью 0,3°С/ч, при этой температуре мешалка, с выросшими на ней кристаллами, была поднята над тиглем, а печь отключена.

Способ не обеспечивает получение монокристаллической пленки FeBO₃ на диамагнитной подложке.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ выращивания монокристаллов. Техническим результатом является получение тонкой эпитаксиальной магнитной монокристаллической пленки FeBO₃ на диамагнитной подложке GaBO₃.

Поставленная цель достигается тем, что в способе выращивания монокристаллической пленки FeBO₃ на диамагнитной подложке, включающем наплавление шихты, содержащей Fe₂O₃, В₂О₃, PbO, PbF₂, нагрев и выдержку раствора-расплава при постоянном перемешивании, его охлаждение, компоненты берут в соотношении, мас. %: Fe₂O₃ - 5,73; В₂О₃ - 51,23; PbO - 29,31; PbF₂ - 13,73, нагревают до 900-950°C с перемешиванием, охлаждают до 820-830°С, при этой температуре опускают держатель с диамагнитным кристаллом GaBO₃ и выдерживают 0,5-3 часа с перемешиванием, затем температуру медленно понижают со скоростью 3-40°С/ч до 800°С и кристаллодержатель извлекают из печи.

Отличительными признаками заявленного технического решения являются: компоненты берут в соотношении: Fe₂O₃ - 5,37 мас. %, В₂О₃ - 51,23 мас. %, PbO - 29,31 мас. %, PbF₂ - 13,73 мас. %; тигель с раствором-расплавом помещают в ростовую печь, нагревают до 900-950°С и выдерживают с перемешиванием при этой температуре в течение суток, затем температуру быстро снижают до 820-830°С и опускают в раствор-расплав кристалл GaBO₃ закрепленный на мешалке, выдерживают в течение 0,5-3 часа, потом температуру со скоростью 3-40°С/ч снижают до 800°С, кристаллодержатель извлекают из печи.

Совокупность существенных признаков технического решения впервые обеспечивает получение тонкой эпитаксиальной магнитной монокристаллической пленки FeBO₃ на диамагнитной подложке.

На фиг. 1 представлено ориентированное нарастание кристаллов FeBO₃ на диамагнитной подложке GaBO₃.

На фиг. 2 представлено слияние (коалесценция) объемного зародыша с уже образовавшейся пленкой FeBO₃.

На фиг. 3 представлен скол синтезированного образца. Видна слоистая структура: верхний темный слой - FeBO₃, нижний, более светлый - GaBO₃.

Способ реализуется следующим образом.

Пример 1. Получение эпитаксиальной пленки FeBO₃ на кристаллах GaBO₃, наросших на платиновой мешалке в результате раствор-расплавного синтеза.

Шихту массой 300 г (Fe₂O₃ - 5,73 мас. %, B₂O₃ - 51,23 мас. %, PbO - 29,31 мас. %, PbF₂ - 13,73 мас. %) наплавляют в платиновый тигель объемом 90 см³ при температуре 900°С. После наплавления шихты тигель устанавливают в ростовую печь с последующим разогревом до температуры Т=950°С и выдерживают 24 часа с перемешиванием раствора-расплава при скорости вращения мешалки ω=60 об/мин. Затем мешалку извлекают и понижают температуру за 30 мин до 825°С, при Т=835°С в раствор-расплав погружают мешалку-держатель с закрепленными (естественным образом, в процессе роста бората галлия) кристаллами GaBO₃. Далее система выдерживается при Т=825°С и перемешиванием со скоростью ω=60 об/мин в течение 1 ч. Затем температуру понижают до 800°С со скоростью 3°С/ч, при этой температуре мешалку, с закрепленными на ней кристаллами, медленно извлекают из печи.

В результате наросшие на мешалке-держателе прозрачные кристаллы бората галлия приобрели зеленоватый оттенок, свойственный FeBO₃. Толщина образовавшейся пленки бората железа порядка 6-10 мкм.

Пример 2. Получение эпитаксиальной пленки FeBO₃ на кристаллах GaBO₃, закрепленных в платиновой оправе.

Шихту массой 300 г (Fe₂O₃ - 5,73 мас. %, B₂O₃ - 51,23 мас. %, PbO - 29,31 мас. %, PbF₂ - 13,73 мас. %) наплавляют в платиновый тигель объемом 90 см³ при температуре 900°С. После наплавления шихты тигель устанавливают в ростовую печь. Температуру в печи поднимают до Т=900°С и выдерживают 24 часа с перемешиванием раствора-расплава при скорости вращения мешалки ω=60 об/мин. Затем мешалку извлекают и понижают температуру за 30 мин до 830°С, при Т=835°С в раствор-расплав погружали мешалку-держатель с закрепленными в оправе шестиугольными пластинчатыми кристаллами GaBO₃ размером 4 и 4,5 мм в поперечнике. Далее система выдерживается при Т=830°С и перемешиванием ω=60 об/мин в течение 3 ч. Затем температуру понижают до 800°С со скоростью 10°С/ч, при этой температуре мешалку, с закрепленными на ней кристаллами, медленно извлекают из печи.

В результате извлеченные из оправы-держателя два прозрачных кристалла бората галлия покрылись зеленоватой пленкой FeBO₃. Толщина образовавшейся пленки бората железа порядка 5 мкм.

Пример 3. Получение эпитаксиальной пленки FeBO₃ на кристалле GaBO₃, помещенном в перфорированный конус.

Шихту массой 300 г (Fe₂O₃ - 5,73 мас. %, B₂O₃ - 51,23 мас. %, PbO - 29,31 мас. %, PbF₂ - 13,73 мас. %) наплавляют в платиновый тигель объемом 90 см³ при температуре 900°С. После наплавления шихты тигель устанавливают в ростовую печь. Температуру в печи поднимают до Т=900°С и выдерживают 24 часа с перемешиванием раствора-расплава при скорость вращения мешалки ω=60 об/мин. Затем мешалку извлекают и понижают температуру за 30 мин до 820°С, при этой температуре в раствор-расплав погружают мешалку, с закрепленным на ней платиновым перфорированным конусом, содержащим шестиугольный пластинчатый кристалл GaBO₃ размером 4 мм в поперечнике. Далее систему выдерживают при Т=820°C с перемешиванием со скоростью ω=60 об/мин в течение 0,5 ч. Затем температуру понижают до 800°С со скоростью 40°С/ч, при этой температуре мешалка, с закрепленным на ней конусом, была медленно извлечена из печи.

В результате находящийся в конусе кристалл бората галлия приобрел зеленоватый оттенок, что свидетельствует о наличии пленки FeBO₃. Толщина образовавшейся пленки бората железа порядка 3 мкм.

Нагревание раствора-расплава до температуры 900-950°С определяется условиями его гомогенизации. Последующее быстрое охлаждение до температур 820-830°С обусловлено следующим: ниже 820°С происходит резкое переохлаждение и появление большого количества центров кристаллизации, выше 830°С появляются кристаллы Fe₃BO₆. Температурный режим определен экспериментальным путем. Дальнейшее понижение температуры до 800°С определяется тем, что при данной температуре раствор-расплав обладает оптимальной вязкостью для извлечения образца из ростовой печи.

Способ выращивания монокристаллической пленки FeBO₃ на диамагнитной подложке GaBO₃ дает возможность получить новый композитный магнитооптический материал.