CC BY
17
Сведения об авторах Титов Роман Алексеевич
аспирант, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Сидоров Николай Васильевич
доктор физико-математических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Теплякова Наталья Александровна
кандидат физико-математических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Палатников Михаил Николаевич
доктор технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Бирюкова Ирина Викторовна
кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected]
Titov Roman Alekseevich
PhD Student, Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Sidorov Nikolai Vasilyevich
Dr. Sc. (Physics & Mathematics), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Teplyakova Natalya Alexandrovna
PhD (Physics & Mathematics), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Palatnikov Mikhail Nikolayevich
Dr. Sc. (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Biryukova Irina Viktorovna
PhD (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected]
РСН: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.042 УДК 535:361:456.34:882
ВЛИЯНИЕ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ БОРА НА СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛА НИОБАТА ЛИТИЯ
Р. А. Титов, Н. В. Сидоров, Н. А. Теплякова, М. Н. Палатников, И. В. Бирюкова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
Аннотация
Методами спектроскопии комбинационного рассеяния света, ИК-спектроскопии поглощения, фотоиндуцированного рассеяния света и лазерной коноскопии исследованы структурные особенности монокристаллов LiNbOз, выращенных с применением флюса В2О3. Установлено, что неметаллический элемент бор входит в тетраэдрические пустоты структуры кристалла LiNbOз на уровне следовых количеств. При этом бор существенно деформирует кислородные октаэдры структуры и изменяет их поляризуемость, что влияет на нелинейно-оптические свойства кристалла. Кроме того, бор, как активный комплексообразователь, структурирует расплав и выравнивает коэффициенты распределения лития и ниобия, что уменьшает количество дефектов N^1 и снижает содержание многозарядных неконтролируемых примесей в кристалле, усиливающих эффект фоторефракции. Ключевые слова:
монокристалл, ниобат лития, легирование, бор, комбинационное и фотоиндуцированное рассеяние света, инфракрасное поглощение, дефекты, композиционная однородность, эффект фоторефракции.
INFLUENCE OF TRACE AMOUNTS OF BORON ON STRUCTURAL DEFECTS OF LITHIUM NIOBATE CRYSTAL
R. A. Titov, N. V. Sidorov, N. A. Teplyakova, M. N. Palatnikov, I. V. Biryukova
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC "Kola Science Centre RAS", Apatity, Russia
Abstract
The analysis of structural particularities of nominally pure LiNbO3 : B grown with using of B2O3 flux was performed by methods of Raman and photoinduced light scattering, infrared absorption and laser conoscopy. It was established that the non-metallic element boron is included in the vacant tetrahedrals of LiNbO3 crystal structure at trace amounts. In this case, boron substantially deforms the oxygen octahedra of the structure and changes their polarizability. It affects the nonlinear optical properties of the crystal. Boron, as an active complexing agent, structures the melt and aligns value of the distribution coefficients of lithium and niobium in the growing process. Boron in the tetrahedrals reduces both the number of NbLi defects and the content of multiply charged uncontrolled impurities in the crystal, enhancing the optical damage. Keywords:
single crystal, lithium niobate, doping, boron, Raman and photoinduced light scattering, infrared absorption, defects, compositional uniformity, optical damage.
Введение
Монокристалл ниобата лития (LiNbO3) является перспективным кислородно-октаэдрическим сегнетоэлектриком, интерес к которому вызван сочетанием уникальных электрооптических, нелинейно-оптических и фоторефрактивных свойств [1]. Будучи фазой переменного состава с достаточно широкой областью гомогенности [2], ниобат лития обладает сильно развитой дефектной структурой. Кристаллические структуры фаз переменного состава отличаются повышенной пространственной неоднородностью и большим количеством протяжённых и точечных дефектов. Для регулирования дефектности кристалла и эффекта фоторефракции (optical damage) кристалл LiNbO3 принято легировать катионами металлов, входящими в октаэдрические пустоты структуры. Способ легирования, а также тип и концентрация легирующей примеси оказывает влияние на упорядочение структурных единиц катионной подрешётки, концентрацию собственных и примесных дефектов, величину фотополей и эффект фоторефракции кристалла LiNbO3.
При легировании происходит встраивание катионов металлов Me"+ в литиевый, ниобиевый или вакантный октаэдры структуры кристалла LiNbO3. Особенности распределения катионов по октаэдрам вдоль полярной оси кристалла определяются природой и концентрацией легирующих катионов. Изменяя концентрацию легирующих катионных примесей, можно регулировать концентрацию точечных дефектов (NbLi, Vi и др.) и связанных с ними комплексных дефектов, обусловленных наличием гидроксильных групп ОН в структуре кристалла. Однако легирование металлами, особенно при высоких концентрациях легирующих примесей, близких к пороговым, приводит к снижению композиционной однородности кристалла, к появлению в нем микрообластей, кластеров и других пространственных дефектов, существенно ухудшающих качество оптических материалов.
Новым способом снижения концентрации структурных дефектов NbLi (являющихся глубокими ловушками электронов) в номинально чистых кристаллах LiNbO3 является выращивание кристаллов из шихты конгруэнтного состава с применением флюса В2О3. Данный подход позволяет выращивать кристаллы LiNbO3, обладающие повышенным упорядочением структурных единиц катионной подрешётки и повышенным сопротивлением к повреждению лазерным излучением. В таких кристаллах понижена концентрация структурных дефектов (NbLi, Vo и др.) и величина стехиометрии лежит в пределах 0,946 < R = Li / Nb < 1.
В данной работе методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), ИК-спектроскопии поглощения, фотоиндуцированного рассеяния света (ФИРС) и лазерной коноскопии исследованы особенности дефектной структуры кристаллов LiNbO3, выращенных с применением флюса В2О3. Были исследованы кристаллы LiNbO3: B, содержащие в шихте 0,55, 0,69 и 0,83 мол. % В2О3 соответственно. Результаты исследований сравнивались с результатами, полученными для номинально чистых кристаллов стехиометрического (LiNbOзстех.) и конгруэнтного (LiNbOзконг.) составов.
Эксперимент
Кристаллы выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского на установке «Кристалл-2», снабженной системой автоматического весового контроля. Содержание следовых
количеств примесей в кристаллах не превышало 0,5-1,0 • 10-4 мас. %. Кристалл стехиометрического состава выращивался из расплава с содержанием Li2O ~ 58,6 мол. %. Номинально чистый кристалл конгруэнтного состава был выращен из шихты конгруэнтного состава. Кристаллы LiNbO3 : B были получены из шихты конгруэнтного состава, разработанной в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН [3].
Образцы для исследований имели форму параллелепипедов, ребра которых совпадали по направлению с кристаллографическими осями. Ось Z совпадала по направлению с полярной осью кристалла Ps. Грани параллелепипедов тщательно полировались. Регистрация ИК-спектров производилась с помощью спектрометра IFS 66 v/s фирмы Bruker. Спектры КРС возбуждались линией 514,5 нм аргонового лазера Spectra Physics (модель 2018-RM) и регистрировались спектрографом T64000 производства фирмы Horiba Jobin Yvon с использованием конфокального микроскопа. Спектры регистрировались с разрешением 1,0 см-1. Обработка спектров производилась с использованием пакета программ Horiba LabSpec 5.0 и Origin 8.1. Точность определения частот, ширин и интенсивностей линий ±1,0, ±3,0 см-1 и 5 % соответственно. Методика исследования ФИРС и лазерной коноскопии подробно описана в [4].
Результаты и их обсуждения
В [5] показано существование большого спектра разнообразных ионных комплексов, существующих в номинально чистом расплаве ниобата лития конгруэнтного состава. Изначально в объёме расплава наблюдается равенство концентраций как Li+- и LiO"-, так и Nb2O42"- и O2"-ионов. Однако в процессе роста кристалла эти ионы должны изменять свою концентрацию в объёме расплава из-за явлений накопления или истощения в пограничном слое расплава [5]. Очевидно, что состав и структура комплексов усложняются при появлении в смеси бора, обладающего ярко выраженной комплексообразующей способностью. При этом, опираясь на результаты исследований фазовой диаграммы тройной системы Nb2O5 — B2Oз — Li2O [6] (рис., а), можно утверждать, что в данной системе помимо образования целевого компонента ^№0з) могут образовываться бораты разного состава, находящиеся в пределах концентрационной области кристаллизации LiNb0з, а именно:
(1)
(2)
LÎ2CO3 + B2O3 = 2LiBO2 + CO2, LÎ2CO3 + 2B2O3 = LÎ2B4O7 + CO2,
Li3NbO4 + B2O3 = 2LiBO2 + LiNbO3, Li3NbO4 + 2B2O3 = LÎ2B4O7 + LiNbO3, 3Li2O + 2B2O3 = LÎ6B4O9 (Li3B2O4,5).
(3)
(4)
(5)
Li2O,
Таким образом, в процессе высокотемпературного синтеза шихты в системе Nb2O5 — B2Oз — в которой оксид бора играет роль флюса и активного комплексообразователя, происходят твердофазные химические реакции с образованием различных ниобатов и боратов, которые влияют на особенности состава и физические свойства расплава.
■ф ■
□ ц§
3" ffôKfl WA
б
а
Фазовая диаграмма системы Ы2О — №205 — Б2О3 [6] (а); спекл-структура индикатрисы ФИРС (Р = 160 мВт) и коноскопические картины (Р = 1 и 90 мВт) кристаллов Ы№0зстех. (1), Ы№Озконг. (2) и Ы№Оз : Б (0,83 (3) мол. % В2О3 в шихте) (б)
Неметаллический элемент бор обладает малым ионным радиусом (0,15 А для В3+ [III] и 0,25 А для В3+ [IV]) и не может входить в кислородные октаэдры О6 кристалла LiNbOз [7]. Фаза LiNbOз не имеет области растворимости бора в твёрдом состоянии [6]. Таким образом, единственной кристаллизующейся фазой должна быть фаза LiNbOз конгруэнтного состава. При этом выращенные с применением флюса В2О3 монокристаллы LiNbOз : B по величине отношения Li / № занимают промежуточное положение между конгруэнтным и стехиометрическим кристаллом (0,946 < Я = Li / № < 1). Концентрация Li2O в выращенных кристаллах LiNbOз : B, рассчитанная по формулам, учитывающим температуру Кюри, приблизительно составляет 49,5-49,7 мол. % Li2O [8].
В исследуемых кристаллах LiNbOз по параметрам интегральной интенсивности полос в спектрах ИК-поглощения, соответствующих валентным колебаниям ОН-групп, нами произведён расчёт величины отношения Li / № и концентрации структурных дефектов (N^1, VLi) в соответствии с подходом, предложенным в [9]. Согласно полученным данным (табл. 1), кристаллы LiNbOз : B приближаются по величине отношения Li / № к 1, что характерно для кристалла L1NЬOзстех.. Концентрация структурных точечных дефектов (N^1, VLl) в кристаллах LiNbOз : В заметно ниже концентрации этих дефектов в кристалле L1NbOзконг. (табл. 1).
Таблица 1
Значения величины Я = [Ь1] / [№] и концентрация структурных точечных дефектов (N^1 и ^1, мол. %) в кристаллах LiNbOзстех., L1NbOзконг. и LiNbOз : В (0,55, 0,69 и 0,83 мол. % В2О3 в шихте)
L1NbOзстех. L1NЬOзкон. L1NЬOз : В
(0,55 мол. % В2О3 в шихте) (0,69 мол. % В2О3 в шихте) (0,8з мол. % В2О3 в шихте)
Я = [П] / [ЫЬ]
1 0,942 0,967 0,977 0,970
Концентрация структурных дефектов (теоретическая)
МЬи N^1 N^1 N^1 N^1
0 0 0,97 3,90 0,55 2,21 0,38 1,54 0,50 2,01
Согласно данным спектроскопии КРС, для кристаллов L1NbOз : В характерно повышенное упорядочение структурных единиц катионной подрешётки. Влияние элемента В3+ на катионную подрешётку L1NbOз проявляется в общем сужении спектральных линий, соответствующих фундаментальным колебаниям катионов металлов в кислородных октаэдрах кристалла (200-300 см-1) и колебаниям структурных единиц кислородных октаэдров. Для кристаллов L1NbOз : В линии с частотами 254 и 274 см-1, отвечающие фундаментальным колебаниям катионов №5+ и Li+ А1(ТО) типа симметрии соответственно, заметно уже аналогичных линий в спектре кристалла L1NbOзконг. (табл. 2). Анионная подрешётка (кислородный каркас) кристаллов L1NbOз : В оказывается заметно искажённой по сравнению с анионными подрешетками кристаллов L1NbOзконг. и L1NbOзстех. (табл. 2). Согласно спектрам КРС, линии с частотами 576 и 630 см-1, соответствующие дважды вырожденным и полносимметричным колебаниям атомов кислорода кислородных октаэдров соответственно, испытывают существенное уширение (~ в 2 раза) по сравнению с аналогичными линиям в спектре кристаллов LiNbOзстех. и LiNbOзконг. (табл. 2). Для сравнения в табл. 2 приведены также параметры некоторых линий спектров КРС кристаллов L1NbOз : 2п (0,07, 2,01 и 5,84 мол. % 2п0 в кристалле). Таким образом, осуществляется влияние бора, входящего в структуру кристалла L1NbOз в следовых количествах, на особенности структуры кристалла (катионную и анионную подрешётки). Можно предположить, что катионы бора, которые не могут внедриться в кислородные октаэдры, могут занять вакантные тетраэдрические пустоты структуры кристалла.
Обращает на себя внимание тот факт, что следовое содержание бора (~ 4 • 10-4 мол. % В2О3), находящегося в тетраэдрических пустотах кристалла, оказывает приблизительно такое же влияние на кислородный каркас кристалла LiNbOз, как и концентрации 2п2+ выше второго порогового значения [2]. Плавное увеличение ширин линий, отвечающих колебаниям атомов кислорода кислородных октаэдров Об в кристаллах LiNbOз : Zn, и более резкое их увеличение в спектре кристаллов LiNbOз : В можно объяснить следующим. Катионы металлов, встраиваясь в кислородные октаэдры структуры кристалла, будут их заметно деформировать только лишь при высоких концентрациях легирующего металла (табл. 2). Для кристалла L1NbOз : 2п (5,84 мол. % 2п0 в кристалле) наблюдается сильное уширение линий соответствующих колебаниям атомов кислорода кислородных октаэдров в отличие
от двух меньших концентраций 2пО (табл. 2). С ростом концентрации легирующего металла будет происходить разупорядочение катионной подрешётки кристалла — ширины линий, соответствующих колебаниям катионов №5+ и Ы+, стабильно увеличиваются. С другой стороны, увеличение содержания легирующего металла в структуре кристалла будет понижать концентрацию глубоких ловушек электронов, одновременно снижая эффект фоторефракции и повышая композиционную неоднородность.
Таблица 2
Значения параметров некоторых линий в спектре КРС (V, 5", см"1) кристаллов LiNbOзстех., ЫКЬОзконг., ЫКЬОэ : В и LiNbOз : 2п
ЫКЬОзстех. ЫКЬОзконг. ЫКЬОз : В, мол. % В2Оз в шихте Ы№Оз : 2п, мол. % 2пО в кристалле
0,55 0,69 0,8з 0,07 2,01 5,84
Параметры спект ров КРС
V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5
240 9 240 11 241 9 241 11 240 10 240 10 240 11 2з8 17
268 10 268 14 270 1з 271 12 270 1з 268 12 268 15 267 з0
576 16 576 15 575 з2 576 зз 576 зз 578 22 578 25 579 зз
626 20 626 25 626 41 628 42 626 46 629 29 6з0 з0 6з2 з4
Катионы бора, встраиваясь в тетраэдрические пустоты структуры кристалла, будут изменять длины О-О-связей в кислородных октаэдрах, но при этом будут препятствовать способности тетраэдров компенсировать своим объёмом деформационные изменения, возникающие вследствие изменения структуры кристалла. По этой причине ширины спектральных линий с частотами 576 и 626 см-1 соответственно превосходят по величине ширины соответствующих спектральных линий кристаллов LiNbOз : Zn. Согласно полученным данным можно заключить, что бор, встраиваясь в кислородные тетраэдры структуры кристалла в следовых количествах, сильно искажает анионный каркас, что приводит к заметной асимметрии кислородных октаэдров. Катионная подрешётка, напротив, оказывается более упорядоченной по сравнению с кристаллом LiNbOзконг., что также подтверждается данными КРС.
Высокую оптическую однородность исследованных в данной работе кристаллов подтверждают коноскопические картины (рис., б). Для кристалла LiNbOз : В (0,83 мол. % В2О3 в шихте) при мощности лазерного излучения 1 мВт на коноскопической картине наблюдается близкий к идеальному «мальтийский крест», чего нельзя сказать о кристаллах LiNbOзконг. и LiNbOзстех.. Для кристалла LiNbOзстех. наблюдается значительное размытие коноскопических картин как при малой, так и при большой мощности лазерного излучения, указывающее на значительную оптическую неоднородность вдоль оси роста кристалла LiNbOзстех. (рис., б). При большей мощности лазерного излучения (90 мВт) на коноскопической картине наблюдаются незначительные признаки аномальной оптической двуосности, связанные, вероятно, с увеличением эффекта фоторефракции (незначительное вытягивание «мальтийского креста» в горизонтальном направлении, углы между его ветвями отличны от 90 °, рис., б). Следует отметить, что эффект фоторефракции в стехиометрическом кристалле существенно больше, чем в конгруэнтном и в кристалле LiNbOз : В (0,83 мол. % В2О3 в шихте). Сравнительный коноскопический анализ исследованных кристаллов при использовании лазерного излучения мощностью 1 и 90 мВт, а также исследование ФИРС позволяют сделать вывод о том, что оптическая однородность кристалла LiNbOз : В сравнима с таковой для кристалла LiNbOзконг. и значительно выше оптической однородности кристалла LiNbOзстех. (рис., б).
Заключение
В работе рассмотрено влияние неметаллического элемента бора на структурные особенности монокристаллов LiNbOз : В. Применение В20з в качестве флюса позволяет получать кристаллы, обладающие повышенным упорядочением структурных единиц катионной подрешётки, близкой к упорядочению, которое существует в стехиометрическом кристалле, повышенным сопротивлением лазерному излучению и оптической однородностью по сравнению с кристаллами конгруэнтного состава, а также пониженной концентрацией глубоких ловушек электронов №ы. При этом следовые количества бора, встраиваясь в кислородные тетраэдры, существенно искажают анионную
подрешётку кристалла. Таким образом, нами осуществлён новый подход к получению оптически совершенных номинально чистых монокристаллов LiNbO3 с применением флюса В2О3, по величине Li / Nb занимающих промежуточное положение между стехиометрическим и конгруэнтным кристаллами. Полученные нами кристаллы LiNbO3 : B обладают низким эффектом фоторефракции и высокой композиционной однородностью.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-33-90025). Литература
1. Калинников В. Т., Палатников М. Н., Сидоров Н. В. Ниобат и танталат лития: фундаментальные аспекты технологии. Апатиты: КНЦ РАН, 2005. 108 с.
2. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н. В. Сидоров и др. М.: Наука, 2003. 255 с.
3. Гранулированная шихта для выращивания монокристаллов ниобата лития / М. Н. Палатников и др. // Перспективные материалы. 2011. № 2. С. 93-97.
4. Оптическая однородность, дефекты и фоторефрактивные свойства стехиометрического, конгруэнтного и легированного цинком кристаллов ниобата лития / Н. В. Сидоров и др. // Оптика и спектроскопия. 2014. Т. 117, № 1. С. 76-85.
5. Uda S., Shimamura K., Fukuda T. Intrinsic LiNbÛ3 melt species partitioning at the congruent melt composition // Journal of Crystal Growth. 1995. Vol. 155. P. 229-239.
6. Can H., Shichao W., Ning Y. Subsolidus phase relations and the crystallization region of LiNbO3 in the system Li2O — B2O3 — №>205 // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 502. P. 211-214.
7. Структурный беспорядок и оптические характеристики конгруэнтных кристаллов ниобата лития, выращенных из расплавов, легированных бором / Н. В. Сидоров и др. // Сибирский физический журнал. 2018. Т. 13, № 2. С. 70-79.
8. Влияние бора на структурные особенности и фоторефрактивные свойства монокристаллов LiNb03 / Н. В. Сидоров и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В. М. Самсонова, Н. Ю. Сдобнякова. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2019. Вып. 11. С. 223-231.
9. Саллум М. И. Влияние стехиометрии и допирующих примесей на электрические и оптические свойства кристаллов ниобата лития: автореф. дис. ... канд. хим. наук. СПб., 2009. 19 с.
Сведения об авторах Титов Роман Алексеевич
аспирант, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Сидоров Николай Васильевич
доктор физико-математических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Теплякова Наталья Александровна
кандидат физико-математических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Палатников Михаил Николаевич
доктор технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Бирюкова Ирина Викторовна
кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected]
Titov Roman Alekseevich
PhD Student, Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Sidorov Nikolai Vasilyevich
Dr. Sc. (Physics & Mathematics), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Teplyakova Natalya Alexandrovna
PhD (Physics & Mathematics), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected]
Palatnikov Mikhail Nikolayevich
Dr. Sc. (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Biryukova Irina Viktorovna
PhD (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected]
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.043 УДК 666.3-13; 666.3-18.
ВЛИЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА СТРУКТУРУ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ КАРБИД КРЕМНИЯ — БОР
А. В. Феоктистов, Н. А. Попова, Е. С. Лукин
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия Аннотация
Рассмотрено влияние использования спековой технологии на структуру керамических материалов в системе карбид кремния — бор. Определено влияние использования спековой технологии на формирование структуры керамических изделий при содержании добавки бора (SiC-xB, где x = 5, 10 мас. %). Для полученных материалов была измерена микротвёрдость и сделана сканирующая электронная микроскопия. Материалы, полученные по бесспековой технологии, имели монолитную структуру и пористость, характерную твердофазовому механизму спекания. Материалы, полученные по спековой технологии, имели равнокристаллитную структуру с низкой межкристаллической пористостью и практически полным отсутствием областей с высокой когерентностью границ. Наибольшей твердостью (27,2 ГПа) обладал материал, содержащий 10 мас. % бора, полученный по бесспековой технологии. Ключевые слова:
карбид кремния, аморфный бор, искровое плазменное спекание, твёрдые растворы, сканирующая электронная микроскопия, структура.
INFLUENCE OF USE OF SINTERING TECHNOLOGY ON THE STRUCTURE OF MATERIALS IN THE SILICON CARBIDE — BOR SYSTEM
A. V. Feoktistov, N. A. Popova, E. S. Lukin
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract
In the present work, we examined the effect of the use of pre-sintering technology on the structure of ceramic materials in silicon carbide — boron system. The influence of pre-sintering technology use on the formation of the structure of ceramic materials with the content of boron additive (SiC-xB, where x = 5, 10 wt. %) is determined. Hardness was measured for the obtained materials and scanning electron microscopy was performed. Materials obtained by classic technology had a monolithic structure and porosity characteristic of the solid-state sintering mechanism. The materials obtained by the pre-sintering technology had an equal crystalline structure with low intercrystalline porosity and an almost complete absence of regions with high coherence of boundaries. The highest hardness (27,2 GPa) was possessed by a material containing 10 wt. % boron and obtained by classic technology. Keywords:
silicon carbide, amorphous boron, spark plasma sintering, solid solutions, scanning electron microscopy, structures.
В связи с развитием техники требования, предъявляемые к эксплуатационным свойствам используемых материалов, повышаются, что диктует необходимость получения материалов с более совершенным набором свойств и характеристик. Карбид кремния обладает уникальными свойствами, такими как высокая теплопроводность, низкий коэффициент расширения, высокая температура плавления и химическая стойкость в агрессивных средах, что делает его перспективным для получения материалов с высокими рабочими температурами [1]. Основной проблемой получения плотных поликристаллических карбидокремниевых материалов является сложность уплотнения материалов по диффузионному механизму, что делает необходимым использование методов горячего прессования и горячего изостатического прессования для получения материалов высокой плотности [2].
