SU1693134A1 - Monocrystalline material based on potassium-lithium tantalate and method for obtaining it - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к химическому синтезу монокристаллов на основе тантала- та кали -лити  и может быть использовано в оптических затворах и модул торах, а также в СВЧ-резонаторах. Обеспечивает расширение температурного диапазона двулучепреломлени  при снижении диэлектрических потерь tg «5 и низком температурном коэффициенте диэлектрической проницаемости ТКе . Материал имеет тетрагональную структуру и формулу Ко.5-о,7з1-1о.27-о,5ТаОз. Кристаллы выращивают из расплава шихты, содержащей исходные компоненты, при его охлаждении и выт гивании на вращающуюс  затравку. Шихта имеет следующий состав, мас.%1 К2СОз 18,0-22,8; ШСОз 4,5-6,9,TaaOs 72,3- 75,5. Монокристалл имеет ТКс град-1, 10 3 при К. 2 с.п.ф-лы, 3 илThe invention relates to the chemical synthesis of potassium-tantalum-based single crystals and can be used in optical gates and modulators, as well as in microwave resonators. Provides the extension of the temperature range of birefringence while reducing the dielectric loss tg 5 5 and the low temperature coefficient of the dielectric constant TKe. The material has a tetragonal structure and the formula Ko.5-o, 7z1-1o.27-o, 5TaOz. The crystals are grown from the melt of the mixture containing the starting components, while it is cooled and drawn onto a rotating seed. The mixture has the following composition, wt.% 1 K2COz 18,0-22,8; ROSC 4.5-6.9, TaaOs 72.3- 75.5. The single crystal has a TKS grad-1, 10 3 at K. 2 S. p. F-crystals, 3 silt

Description

Изобретение относитс  к области химического синтеза монокристаллов на основе танталата кали -лити  и может быть использовано в оптических затворах и модул торах , а также в СВЧ-резонаторах.This invention relates to the field of chemical synthesis of potassium tantalate single crystal crystals and can be used in optical shutters and modulators, as well as in microwave resonators.

Цель изобретени  - расширение температурного диапазона двулучепреломлени  при снижении диэлектрических потерь и низком температурном коэффициенте диэлектрической проницаемости.The purpose of the invention is to expand the temperature range of birefringence while reducing the dielectric loss and low temperature coefficient of dielectric constant.

На фиг.1-3 приведены дифрактограммы составов Ko,7s: Lio,25Ta03, , KosiLlojTaOa и стехиометрического Ко.б:1-1о.4ТаОз соответственно .Figures 1-3 show the diffraction patterns of Ko, 7s: Lio, 25Ta03,, KosiLlojTaOa, and stoichiometric Co.b: 1-1.4. TaO3, respectively.

На фиг.1 и 2 видны дополнительные рефлексы , соответствующие выпадению другой фазы.In Figures 1 and 2, additional reflexes are visible, corresponding to the loss of another phase.

Пример. Дл  получени  монокристалла берут шихту, содержащую, мае.: карбонат кали  К2СОз20,4; карбонат лити  LfcCOaSJ;Example. To obtain a single crystal, a charge is taken which contains, in May: potassium carbonate, K 2 CO 3 20.4; lithium carbonate LfcCOaSJ;

п тиокись тантала TaaOs 73,9, тщательно перемешивают и заключают в платиновый тигель. Расплавл ют шихту и путем снижени  температуры выращивают кристалл на затравку, вращающуюс  со скоростью 10 об./мин. Стехиометрический cotTae содержани  в монокристалле следующий, мас.%:tantalum pentoxide TaaOs 73.9, thoroughly mixed and enclosed in a platinum crucible. The charge is melted and, by lowering the temperature, the crystal is grown on a seed rotating at a speed of 10 rpm. The stoichiometric cotTae content in a single crystal is as follows, wt%:

Калий К Литий Li Тантал Та Кислород ОPotassium K Li Li Tantalum Ta Oxygen O

9,29.2

1,11.1

70.970.9

18.818.8

ОABOUT

оabout

СОWITH

соwith

4four

Полученный монокристалл предназначен дл  использовани  в качестве электрооптического модул тора. Он содержит все известные компоненты, но их концентрации отличаютс , особенно существенно отличаютс  концентрации кали  и лити  Возможно значительное отклонение содержани  карбонатов кали  и лити  в шихте ОднакоThe resulting single crystal is intended for use as an electro-optical modulator. It contains all the known components, but their concentrations are different, the concentrations of potassium and lithium are particularly significant. A significant deviation of the content of potassium carbonates and lithium is possible. However,

эта отклонени  св занные, т.е. при уменьшении содержани  карбоната кали  следует увеличить долю карбоната лити  м наоборот.these deviations are related, i.e. when potassium carbonate content decreases, the proportion of lithium carbonate should be increased vice versa.

При выходе за указанные интервалы рост монокристаллов невозможен. Доказательством  вл ютс  рентгеносгруктурмне исследовани , показывающие, что при выходе а эти границы выпадает втора  фаза.When going beyond the specified intervals, the growth of single crystals is impossible. Evidence is from X-ray diffraction studies showing that as they exit, these boundaries fall in the second phase.

Изучение дифрактограмм показывает, мто симметри  нового соединени  тетрагональна . За счет тетрагональной симметрии по вл етс  анизотропи  таких физических свойств, как диэлектрическа  прчницае- мость, возникает двулучепреломление (шследствие анизотропии оптических свойств). Новое соединение образовалось потому, что именно при такой его структуре энерги  св зи атомов минимальна. Структура же м онокристалла-аналога - кубическа  во всем интервале температур, в симметри  r/онокристалла-прототипа-кубическа  при температуре по крайней мере выше температуры перехода ( 116К). Поэтому при обычных температурах (комнатные температуры ) из-за высокой симметрии невозможно получить двулучепреломление.The study of diffractograms shows that the symmetry of the new compound is tetragonal. Due to tetragonal symmetry, anisotropy of physical properties such as dielectric property appears, birefringence occurs (due to anisotropy of optical properties). A new compound was formed because it is with such a structure that the atomic binding energy is minimal. The structure of the on-crystal analogue is cubic in the entire temperature range, and in the symmetry r / of the prototype crystal, it is cubic at a temperature at least above the transition temperature (116K). Therefore, at ordinary temperatures (room temperatures), due to the high symmetry, it is impossible to obtain birefringence.

Диэлектрические потери снижаютс  по соэвнению с монокристаллом-прототипом потому, что полученный монокристалл  вл етс  химическим соединением в то врем  как монокристалл-прототип  вл етс  твердым раствором, в котором ионы лити  наход тс  в нецентральном положении и их движение между эквивалентными положени ми приводит к дополнительным потер м (диэлектрическим). Ионы полученного соединени  имеют устойчивые положени .The dielectric loss is reduced by concurrence with the prototype single crystal because the single crystal produced is a chemical compound, while the prototype single crystal is a solid solution in which lithium ions are in the off-center position and their movement between equivalent positions leads to an additional loss m (dielectric). The ions of the resulting compound have stable positions.

Устойчивость ионов в своих положени х обусловливает и более слабую темпера- урную зависимость диэлектрической проницаемости по сравнению с монокристаллом-прототипом , когда подвижность почоч лити  (и обусловленна  их движением диэлектрическа  проницаемость) суще- с венно зависит от температуры.The stability of the ions in their positions also determines the weaker temperature dependence of the dielectric constant as compared to the single crystal of the prototype, when the mobility of the kidney (and the dielectric constant caused by their movement) substantially depends on temperature.

Расширение температурного диапазона двулучепреломлени  при снижении диэ- лвктрических потерь и низком температурном коэффициенте диэлектрической проницаемости обеспечиваетс  образованием низкосимметричной структуры не за счет замо зживани  при определенной температура (Тс) ионов, ка с в случае монокристалла-прототипа, а за счет синтеза нового соединени , имеющего низкую симметрию (и, следовательно, анизотропные физические свойства) при кристаллизации. Элементами структуры здесь  вп ютс  искаженные октаэдры, пентагочзльные иThe broadening of the birefringence temperature range with decreasing dielectric losses and a low temperature coefficient of dielectric permittivity is provided by the formation of a low-symmetry structure not due to freezing at a certain temperature (Tc) of the ions, as in the case of a single-crystal prototype, but due to the synthesis of a new symmetry (and, therefore, anisotropic physical properties) during crystallization. The elements of the structure here are distorted octahedra, pentagons, and

трехшапочиые призмы, образованные из ионов кислорода, окружающих соответственно ионы Та5, К1 и LI . Таким образом, за счет образовани  новых св зей ионов К+ иthree-capped prisms formed from oxygen ions surrounding the Ta5, K1 and LI ions, respectively. Thus, due to the formation of new bonds of K + and

Ll+ с ионами О2 возникла возможность расширени  температурного диапазона двулучепреломлени  (в монокристалле прототипе образуютс  лишь танталозые октаэдры и калиевые или литиевыеLl + with O2 ions made it possible to extend the temperature range of birefringence (in the prototype single crystal, only tantalose octahedra and potassium or lithium

додекаэдры).dodecahedrons).

Упрощение предлагаемого монокристалла в применении обусловлено ликвидацией операций, необходимых при использовании хладоагенто , таких, как поиск течей и др.Simplification of the proposed single crystal in the application due to the elimination of the operations required when using refrigerant, such as the search for leaks, etc.

При использовании монокристалла исключаетс  производство хладоагентйв и криогенное оборудование, в том числе оптические криостагы, изготовление которых особенно сложно, так как возникают часто течи в соединении металл-стекло.When a single crystal is used, the production of refrigerants and cryogenic equipment, including optical cryostags, are particularly difficult to manufacture, since they are particularly difficult to manufacture, as there are often leaks in the metal-glass compound.

Таким образом, предлагаемый монокристалл позвол ет создать модул тор света , работающий как при низкихThus, the proposed single crystal makes it possible to create a light modulator that operates as at low

температурах, так и при температурах выше комнатной без использовани  вторичного оборудовани  и необходимых дл  его применени  веществ.temperatures as well as at temperatures above room temperature without the use of secondary equipment and the substances necessary for its use.

Двулучепреломление про вл етс  приBirefringence appears when

исследовании монокристалла с помощью пол ризационного микроскопа при К и при К. Пр мое измерение показателей преломлени  по отклонению обыкновенного и необыкновенного лучей светаstudy of a single crystal using a polarization microscope at K and at K. Direct measurement of the refractive indices of the deviation of ordinary and extraordinary light rays

лазера Л Г-38 показывает, что ,02 (причем ,2), Преломл ющий угол призмы составл ет 20°.laser LG-38 indicates that, 02 (and, 2), the refracting angle of the prism is 20 °.

Измерение с помощью моста переменного тока Е 7-8 на частоте 1 кГц те пературной зависимости дизлектоической проницаемости и показало, что диэлектрические потери нового соединени  малы. Так, при Ktgc5 10 3 и даже в области фазового перехода при К tgcKlO 2, aMeasurement using the E 7-8 alternating current bridge at a frequency of 1 kHz of temperature dependence of the dielectric permeability and showed that the dielectric losses of the new compound are small. So, with Ktgc5 10 3 and even in the region of the phase transition with K tgcKlO 2, a

температурный коэффициент диэлектрической проницаемостиТКе 10 3 град .temperature coefficient of dielectric constant TKE 10 3 degrees.

Другие составы в пределах предлагаемого соотношени  ингредиентов в шихте показывают близкие к измеренным характеристики , но прозрачность кристаллов ухудшаетс , что уменьшает интенсивность проход щего света (на границах указанных пределов интенсивность проход щего света падает на 25%).Other compositions within the proposed ratio of ingredients in the mixture show similar characteristics, but the transparency of the crystals deteriorates, which reduces the intensity of the transmitted light (at the boundaries of these limits, the intensity of the transmitted light decreases by 25%).

Предлагаема  шихта монокристалла дл  электрооптического модул тора, сохран   возможность работы при низких температурах , обладает следующими технико-экономическими преимуществами.The proposed single crystal mixture for an electro-optical modulator, while maintaining the ability to work at low temperatures, has the following technical and economic advantages.

Упрощаетс  применение, так как отпадают операции, св занные с подготовкой к работе с криогенными жидкост ми, исключаетс  ; необходимость производства хладоагентов дл  использовани  монокристалла, а также исключаетс  криогенное оборудование, з том числе оптические криостаты.-изготоале- ние которых особенно сложно.The application is simplified, since the operations associated with the preparation for working with cryogenic liquids are eliminated; the need to produce refrigerants for the use of a single crystal, as well as the exclusion of cryogenic equipment, including optical cryostats. The manufacture of which is particularly difficult.

Новое соединение может найти широкое применение в ювелирной промышлен ности, где будет использоватьс  возможность получать различные цвета и оттенки монокристаллов с помощью легировани , а также, увеличив коэффициент преломлени  различными добавками, добитьс  полного внутреннего отражени -кристаллы будут сверкать.The new compound can be widely used in the jewelry industry, where it will be possible to obtain various colors and shades of single crystals by doping, and also, by increasing the refractive index of various additives, to achieve full internal reflection. The crystals will sparkle.

Claims (2)

Формула изобретени  1. Монокристаллический материал на основе танталата кали  - лити  дл  электро- оптических модул торов, отличаю щи й- с   тем, что, с целью расширени  температурного диапазона двулучепреломлени  при снижении диэлектрических потерь и низком температурном коэффициенте диэ- Claim 1. Monocrystalline material based on potassium tantalum for electro-optical modulators, is distinguished by the fact that, in order to extend the temperature range of birefringence while reducing dielectric loss and low temperature coefficient of dielectric лектрической проницаемости, материал имеет тетрагональную структуру и содержит компоненты в соотношении, соответствующем формуле Ro,5-o,73Llo,27-o,5Ta03.electrical permeability, the material has a tetragonal structure and contains components in a ratio corresponding to the formula Ro, 5-o, 73Llo, 27-o, 5Ta03. 2. Способ получени  монокристаллического материала на основе танталата кали - лити , включающий нагрев и плавление шихты, содержащей исходные компоненты, охлаждение расплава и выт гивание из него монокристалла на вращающуюс  затравку, отличающийс  тем, что, с целью расширени  температурного диапазона двулучепреломлени  при снижении диэлектрических потерь и низком температурном коэффициенте диэлектрической проницаемости , используют шихту, содержащую карбонат кали , карбонат лити  и п тиокись тантала при следующем их соотношении. мас,%:2. A method of producing a potassium tantalate-based monocrystalline material, including heating and melting a mixture containing initial components, cooling the melt and pulling a single crystal from it onto a rotating seed, characterized in that in order to extend the birefringence temperature range while reducing dielectric loss and a low temperature coefficient of dielectric constant, use a mixture containing potassium carbonate, lithium carbonate and tantalum pentoxide in the following ratio. wt%: Карбонат кали Potassium carbonate КаСОз18,0-22,8KASOz18,0-22,8 Карбонат лити Lithium carbonate ШСОз4.5-66.9ШСОз4.5-66.9 П тиокись танталаTantalum hydroxide ТЭ205- 72,3-75,5TE205- 72.3-75.5 Kw bJa6tKw bJa6t 9090 8080 7070 SO 40 SO 40 mJmJ 2626 фиг.1figure 1 ,, 4,&4гОД4, & 4 year ФигFig ФигдFird