Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения кристаллов CoSnS

Изобретение относится к области выращивания кристаллов неорганических соединений.

Co₃Sn₂S₂ - это материал, вызывающий в настоящее время повышенный интерес в экспериментальной физике как полуметаллический ферромагнетик, обладающий также свойствами полуметалла Вейля. Для развития этих исследований, а также для возможных практических применений Co₃Sn₂S₂, необходима разработка способов выращивания монокристаллов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ выращивания кристаллов Co₃Sn₂S₂ из расплава [М. Holder, Yu. S. Dedkov, A. Kade, H. Rosner, W. Schnelle, A. Leithe-Jasper, R. Weihrich, S.L. Molodtsov. Photoemission study of electronic structure of the half-metallic ferromagnet Co₃Sn₂S₂. Physical Review B, 79, 205116 (2009)] - прототип, в котором предварительно синтезированную загрузку Co₃Sn₂S₂ стехиометрического состава нагревают в вакуумированной ампуле, в вертикальной печи, до 1000°С, выдерживают при этой температуре 6 часов, а затем охлаждают до температуры 800°С в течение 72 часов, после чего отключают электропитание печи и охлаждают ампулу до комнатной температуры вместе с печью. Основным недостатком этого метода является то, что полученные кристаллы «состоят из нескольких крупных зерен», то есть являются поликристаллами. Таким образом, способ-прототип не позволяет выращивать монокристаллы Co₃Sn₂S₂.

Задачей данного изобретения является получение монокристаллов Co₃Sn₂S₂.

Эта задача решается в предлагаемом способе за счет того, что процесс проводится в вакуумированной ампуле из расплава стехиометрического состава в горизонтальной печи, ампулу с загрузкой нагревают до температуры 920-940°С, выдерживают при этой температуре 20-22 часа, а затем охлаждают до комнатной температуры в течение 45-46 часов.

Предлагаемым способом получены монокристаллы Co₃Sn₂S₂, имеющие гексагональную структуру, что подтверждается рентгеноструктурными исследованиями по методу Лауэ в различных точках кристалла. На фотографии Фиг. 1 представлен монокристалл, сколотый по плоскости спайности (). Показаны кристаллографические плоскости, определенные по лауэграммам: (0001) на ростовой поверхности и () на сколе.

Параметры процесса выбраны экспериментально.

Проведение процесса в горизонтальной печи позволяет осуществляться кристаллизации в кристаллографических направлениях, перпендикулярных призматическим плоскостям, например, в направлений [],как в кристалле, представленном на Фиг. 1. В гексагональных кристаллах это обеспечивает сохранение подвижности дислокаций, что предотвращает образование замкнутых дислокационных стенок, часто приводящих к образованию блоков и получению поликристаллов.

При температуре нагрева ниже 920°С не происходит полной гомогенизации расплава. В результате в кристалле образуются блоки, отличающиеся по составу. Подъем температуры выше 940°С не дает дальнейшего положительного эффекта, причем возрастает риск разрушения ампулы вследствие роста давления собственных паров Co₃Sn₂S₂.

Продолжительность выдержки расплава менее 20 часов не обеспечивает полной гомогенизации расплава, что приводит к появлению блочной структуры. Увеличение продолжительности выдержки свыше 22 часов не дает дальнейшего положительного эффекта.

При времени охлаждения менее 45 часов кристалл растрескивается под действием остаточных термических напряжений. Увеличение времени охлаждения свыше 46 часов не дает дальнейшего положительного эффекта.

Пример 1.

Предварительно синтезированную загрузку Co₃Sn₂S₂ стехиометрического состава помещают в ампулу из кварцевого стекла. Ампулу вакуумируют и герметизируют, затем помещают в горизонтальную электропечь сопротивления и нагревают до температуры 920°С. При этой температуре ампулу с расплавленной загрузкой выдерживают 22 часа, а затем охлаждают до комнатной температуры в течение 45 часов. Получен монокристалл Co₃Sn₂S₂.

Пример 2.

Предварительно синтезированную загрузку Co₃Sn₂S₂ стехиометрического состава помещают в ампулу из кварцевого стекла. Ампулу вакуумируют и герметизируют, затем помещают в горизонтальную электропечь сопротивления и нагревают до температуры 930°С. При этой температуре ампулу с расплавленной загрузкой выдерживают 21 час, а затем охлаждают до комнатной температуры в течение 45 часов 30 минут. Получен монокристалл Co₃Sn₂S₂, показанный на Фиг. 1.

Пример 3.

Предварительно синтезированную загрузку Co₃Sn₂S₂ стехиометрического состава помещают в ампулу из кварцевого стекла. Ампулу вакуумируют и герметизируют, затем помещают в горизонтальную электропечь сопротивления и нагревают до температуры 940°С. При этой температуре ампулу с расплавленной загрузкой выдерживают 20 часов, а затем охлаждают до комнатной температуры в течение 46 часов. Получен монокристалл Co₃Sn₂S₂.