Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения кристаллов CdAs

Изобретение относится к области выращивания кристаллов неорганических соединений.

Диарсенид трикадмия Cd₃As₂ - это материал, вызывающий в настоящее время повышенный интерес в экспериментальной физике как полуметалл Дирака, для которого теоретически предсказана поверхностная сверхпроводимость. Экспериментальное наблюдение этого явления оказалось возможным только в местах точечных контактов, плотно прижатых к поверхности.

Известен способ получения кристаллов Cd₃As₂ из нестехиометрического расплава [Н. Wang, Н. Wang, Н. Liu, Н. Lu, W. Yang, S. Jia, X.-J. Liu, X. C. Xie, J. Wei, J. Wang, Nat. Mater. 15, 38 (2016)] - аналог. Недостатком этого способа является то, что выращенные кристаллы демонстрируют сверхпроводимость только в местах точечного контакта, плотно прижатого к поверхности, что может быть объяснено как несовершенством структуры кристаллов, так и отклонением их состава от стехиометрии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ выращивания кристаллов (Cd_0,6Zn_0,4)₃As₂ из расплава стехиометрического состава методом Бриджмена [В.С. Захвалинский, Т.Б. Никуличева, E Lähderanta, М.А. Шахов, Е.А. Пилюк, С.В. Иванчихин. Прыжковая проводимость в монокристаллах (Cd_0,6Zn_0,4)₃As₂. Научные ведомости БелГУ. Серия Математика. Физика. 2015. №23 (220). Выпуск 41, стр. 71-79] - прототип. Недостатком этого метода является то, что при применении его к получению Cd₃As₂ в выращенных кристаллах не удается наблюдать поверхностной сверхпроводимости, что также может быть объяснено как несовершенством структуры кристаллов, так и возможным отклонением их состава от стехиометрии в ходе процесса.

Задачей данного изобретения является получение кристаллов Cd₃As₂, на которых возможно экспериментальное наблюдение поверхностной сверхпроводимости.

Эта задача решается в предлагаемом способе за счет того, что кристаллизации подвергают капли расплава стехиометрического состава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 5±0,5 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 44-52 град/см.

Предлагаемым способом получены монокристаллы диаметром до 5 мм, имеющие структуру α-Cd₃As₂ и хорошую спайность по кристаллографической плоскости (112), что иллюстрируется фотографией на Фиг. 1, где показана закристаллизованная капля, расколотая по плоскости спайности.

Полученные кристаллы демонстрируют поверхностную сверхпроводимость в областях площадью 100-120 мкм между сколотой по (112) поверхностью Cd₃As₂ и пленарным золотым контактом толщиной 100 нм, нанесенным на диэлектрическую подложку. Критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет ≈ 1 К. Параллельными измерениями установлено, что объемная сверхпроводимость в материале не наблюдается. Воспроизводимость результатов была подтверждена измерениями на образцах из четырех кристаллов.

Кристаллизация капель проводится под давлением инертного газа для предотвращения испарения расплава, ведущего к получению кристаллов нестехиометрического состава. Аргон выбран как распространенный и наиболее экономически доступный инертный газ.

Давление аргона выбрано экспериментально. При давлениях ниже 5±0,5 МПа полученные кристаллы не демонстрируют поверхностной сверхпроводимости, что может быть объяснено отклонением состава кристаллов от стехиометрии при недостаточно высоком давлении инертного газа. При давлениях выше 5±0,5 МПа не наблюдается дальнейшего положительного эффекта.

Градиент температуры на пути падения капель выбран экспериментально. При величине градиента менее 44 град/см капли представляют собой мелкозернистые поликристаллы, из которых невозможно подготовить образцы для измерений. При величине градиента более 52 град/см в кристаллизующихся каплях возникают значительные напряжения, приводящие к растрескиванию кристаллов, а при дальнейшем повышении градиента, и к полному их разрушению.

Процесс получения и кристаллизации капель был реализован в сосуде высокого давления. Графитовый резервуар для расплавления загрузки Cd₃As₂, снабженный графитовой трубкой для формирования капель при истечении расплава находился при температуре плавления Cd₃As₂ (990 K) и температурный градиент на пути падения капель задавали тепловым узлом, имеющим в конструкции графитовые нагреватели сопротивления. Процесс происходил под давлением инертного газа.

Пример 1.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 5 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 42 град/см. Получены поликристаллы Cd₃As₂ c максимальным линейным размером зерен от ≈100 мкм до 0,5 мм.

Пример 2.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 5 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 54 град/см. Происходит растрескивание закристаллизованных капель.

Пример 3.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 5 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 65 град/см. Происходит разрушение кристаллизующихся капель.

Пример 4.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 4 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 48 град/см. Полученные кристаллы не демонстрируют поверхностной сверхпроводимости, что объясняется отклонением состава от стехиометрии при недостаточно высоком давлении аргона.

Пример 5.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 10 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 48 град/см. Получены монокристаллы, демонстрирующие поверхностную сверхпроводимость.

Пример 6.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 5 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 44 град/см. Получены монокристаллы, демонстрирующие поверхностную сверхпроводимость.

Пример 7.

Кристаллизации подвергают капли расплава, свободно падающие в атмосфере аргона, находящегося под давлением 5 МПа, причем градиент температуры на пути падения капель составляет 52 град/см. Получены монокристаллы, демонстрирующие поверхностную сверхпроводимость.