Сотрудники лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН занимаются выращиванием синтетических кристаллов уже более полувека. Одна из востребованных областей их использования — высокотехнологическая промышленность.

Под руководством научного сотрудника ИГМ СО РАН кандидата геолого-минералогических наук Екатерины Александровны Симоновой идёт работа над получением функциональных кристаллов на основе боратных соединений, в том числе для использования их в нелинейной оптике.

Важной частью исследования является совершенствование технологии получения уже известных кристаллов. Модификации кристаллов бората бария широко используются в оптических системах. Соединение с формулой BaB₂O₄ (BBO) может иметь две разные кристаллические структуры (фазы). α- и β- BBO обладают прозрачностью в широком диапазоне спектра, имеют высокую лазерную стойкость, но отличаются некоторыми оптическими характеристиками и, соответственно, сферами применения.

Кристаллы α-BaB₂O₄ находит широкое применение в светоделителях и УФ-поляризаторах благодаря наличию центра симметрии в кристаллической структуре. α-фаза BaB₂O₄ кристаллизуется из расплава при высоких температурах (1100 ℃). Изменение температур в ростовых установках в процессе кристаллизации и скорости, с которыми происходит вытягивание кристалла α-BBO рассчитаны и технологически отработаны.

Для использования в нелинейной оптике особую ценность представляет собой β-фаза BaB₂O₄. Эти кристаллы нецентросимметричные и являются отличным материалом для использования их в перестраиваемых источниках лазерного излучения. Благодаря высокому порогу повреждения и высоким электрооптическим коэффициентам, β-BBO становится незаменимым материалом в мощных лазерных устройствах. Эти кристаллы используют в радиолокационных системах, в оборудовании для производства и обработки различных материалов, в спектроскопических устройствах для проведения научных исследований и многих других областях.

«Совершенные монокристаллы β—BaB₂O₄ вырастить весьма трудно из-за наличия фазового перехода в высокотемпературную фазу α—BaB₂O₄, а также в связи со значительной анизотропией скоростей их роста из расплава [анизотропия — зависимость физических свойств от направления: скорость роста β-BBO в разных направлениях сильно различается, что затрудняет получение совершенных монокристаллов, прим. ред.]. Температура плавления бората бария составляет 1095 °С, а температура a—β фазового перехода — 925 °С. Поэтому, основным методом выращивания кристаллов β—BaB₂O₄ является раствор-расплавная кристаллизация с использованием методики разращивания затравочного кристалла в приповерхностном слое расплава», — объясняет руководитель проекта Екатерина Александровна Симонова.

Для выращивания кристаллов β-BBO температура исходного расплава должна быть ниже 925 ℃. Чтобы этого добиться, необходимо в исходный, чистый расплав добавить специальный растворитель (флюс). Растворителем, как правило, выступают либо соль, либо смесь каких-то солей. Подбор растворителя исследователи осуществляют на основе фазовых диаграмм состояния соответствующих систем. Следовательно, их изучение является обязательным этапом в разработке новых методов выращивания кристаллов.

«Подбор оптимального растворителя, который бы обеспечивал хорошее качество кристаллов и возможность изготовления из них пригодных для промышленности элементов, остается нерешённой и актуальной задачей в течение последних 40 лет, — отмечает Екатерина Александровна — Конечно, есть растворители, которые, стабильно позволяют выращивать кристаллы. Проблема заключается в том, что изученные добавки позволяют вырастить кристаллы хорошего качества, но небольшого размера. Соответственно, большой элемент для оптики из таких кристаллов выпилить невозможно. Получить большие кристаллы можно, используя другие растворители. Только в этом случае кристаллы будут содержать примеси и не будут удовлетворять по качеству для использования в высокоточных лазерных устройствах. Чего добились мы? В результате работы над проектом мы исследовали сложные оксофторидные боратные системы и использовали растворители на основе натрия, ванадия, молибдена и вольфрама. Наши кристаллы получаются хорошего качества и не уступают эталонным образцам, а кристаллы, полученные на основе молибденового флюса, превосходят по качеству кристаллы, выращенные из ванадиевого растворителя».

Процесс выращивания кристаллов при уже подобранных реактивах и растворителях занимает довольно продолжительное время. В обычной практике рост кристаллов, из которых можно будет изготовить элементы для оптических систем, занимает около двух-трёх месяцев. В год в одной ростовой установке исследователь может получить максимум 3-4 кристалла.

Контроль качества кристаллов и процесс изготовления оптических элементов (раскрой материала в соответствии с заданными параметрами, полировка и т.п.) с необходимой точностью ориентировки организует производственно-техническая группа обработки и роста кристаллов ИГМ СО РАН.

Исследователи, кроме подбора флюса для расплава, также решают технологические задачи. Это подбор оптимальных температур в процессе кристаллизации и варьирование скоростей вращения и вытягивания кристалла.

Большое значение для качества кристаллов имеет конструкция печи, распределение тепловых полей в процессе роста кристаллов. Для выращивания технических кристаллов оптимальной считается намотка нагревательной проволоки по трем секторам. Это позволяет получать кристаллы правильной тригональной формы. Такую конструкцию печей разработал заведующий лабораторией доктор технических наук Александр Егорович Кох. «В 90-х годах эта разработка стала прорывной технологией и успешно используется до сих пор в России и за рубежом», — комментирует Екатерина Александровна. Сегодня одной из проблем является невозможность создания абсолютно идентичных условий для роста кристаллов. Даже при использовании одинаковых печей, каждая из них будет иметь свои особенности в намотке нагревательной спирали и ряде других параметров. Это приводит к различиям в форме и качестве выращиваемых кристаллов.

«Мы экспериментируем, изучаем разные условия роста. Выращивание кристаллов β—BaB₂O₄ на затравку осуществляем в условиях постоянного снижения температуры при одностороннем вращении кристалла и его вытягивании. Режимы снижения температуры и вытягивания кристалла подбираем индивидуально в зависимости от характера ликвидуса изученных систем [ликвидус — линия плавления на фазовых диаграммах, выше которой находится только жидкость, прим. ред.], а также особенностей теплового поля ростовой установки», — поясняет Екатерина Александровна.

При выращивании кристалла конструкция печи позволяет исследователю «подглядывать» за процессом и гибко изменять условия роста кристалла. Далее, сотрудники изучают получившийся кристалл, анализируют условия его роста и в следующем эксперименте меняют параметры, добиваясь максимального качества.

Интерес к кристаллам, которые выращиваются в Институте, обусловлен их применением в лазерной технике. Кристаллы используются в качестве активных сред для твердотельных лазеров, генераторов оптического излучения, нелинейно-оптических преобразователей частоты и других устройств.

Постоянное совершенствование методик и оборудования позволяет получать все более качественные монокристаллы, востребованные в современной лазерной оптике. Исследования в этой области ведутся в рамках гранта Российского научного фонда и гранта Новосибирской области № р-64.

Источник: ИГМ СО РАН.