СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ЦИНКА С БЫСТРЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ЦИНКА С БЫСТРЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА


RU (11) 2202010 (13) C1

(51) 7 C30B29/16, C30B25/00, C30B25/02, C30B33/02, C09K11/54, C01G9/02, H01S3/16 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001131694/12 
(22) Дата подачи заявки: 2001.11.23 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.11.23 
(45) Опубликовано: 2003.04.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 4181627 А, 01.01.1980. RU 2036218 С1, 27.05.1995. US 3671193 А, 20.06.1972. Реферативный журнал "Электроника", 1987, реф. №3 Г167. KANAI YASUO. Влияние термообработки в парах Zn на электрические свойства монокристаллов ZnO, содержащих трехвалентные донорные примеси. "Jap. J. Appl. Plys." 1986, Pt 1, 25, №7, p.30-1131. 
(71) Заявитель(и): Дагестанский государственный университет 
(72) Автор(ы): Рабаданов М.Р.; Рабаданов Р.А. 
(73) Патентообладатель(и): Дагестанский государственный университет 
Адрес для переписки: 367025, г.Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а, ДГУ, УИС 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ЦИНКА С БЫСТРЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА 

Использование: в области оптоэлектроники, ядерно-физических исследований, при изготовлении мощных твердотельных лазеров, работающих в УФ-области спектра, в геологии, в химии чистых и сверхчистых элементов, соединений. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что монокристаллы и эпитаксиальные слои ZnO в процессе выращивания путем осуществления окислительно-восстановительной транспортной реакции в водороде с давлением 1,4-2,0 атм, содержащем пары воды больше 13% в присутствии галлия в пределах концентраций 0,4-6 ат.%, при температуре зоны подложки (затравки) Т1=770-940 К и температуре зоны тигля (источника) T2=990-1020 К отжигают, при этом отжиг проводят на воздухе или в кислороде атмосферного давления при температуре Т= 970-1020 К в течение времени t40 мин, а затем его выдерживают в водороде с давлением р= 1,8 атм при температуре 820 К в течение времени t10 мин. Изобретение позволяет получать монокристаллический ZnO с высокой степенью прозрачности. Люминесцентное излучение получаемых образцов ZnO:Ga:Н находится в пределах спектральной полосы 360-410 нм со временем флюоресценции меньше 10-8 с. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к оптоэлектронике ядерно-физических исследований, а точнее изготовления мощных твердотельных лазеров, работающих в УФ-области спектра.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в охране окружающей среды, контроле технологических процессов, в геологии, в химии чистых и сверхчистых элементов, соединений.

Известен способ получения монокристаллической пленки оксида цинка [Рабаданов Р. А. , пат. 2036218, М.кл. С 09 К 11/34, 27.05.95 г., бюл. 15]. Способ включает восстановление порошка оксида цинка водородом, содержащим пары воды.

Недостатком этого способа является то, что оксид цинка, синтезированный данным способом, излучает энергию возбуждения в пределах спектральной полосы от 420 до 720 мкм (max = 510 мкм) и время его возбужденного состояния с10-6 с.

Известен способ получения чистого оксида цинка более совершенной монокристаллической структуры [Рабаданов Р.А. Получение, реальная структура, некоторые объемные и поверхностные свойства монокристаллического оксида цинка. Дис.. док. физ-мат. наук. 1997, 358 с.].

В основе способа используется газофазная обратимая окислительно-восстановительная реакция

ZnO(T)+H2(Г) Zn(Г)+H2O(Г) (1),

осуществляемая в системе с температурой зоны затравки (подложки) Т1 в интервале температур от 770 до 960 К и температуре зоны тигля с порошком ZnO (источника) Т2 от 970 до 1020 К при давлении водорода р=1,6-2,0 атм и парциальном давлении паров воды в водороде больше 13% [1]. Между электрофизическими и оптическими свойствами и условиями синтеза ZnO данным способом существует однозначная связь, на фиг.1, где показана зависимость скорости роста (а), концентрации (b) и подвижности электронов (с), относительной интенсивности зеленой люминесценции при фотовозбуждении (d) от температуры подложки в процессе получения эпитаксиальных слоев ZnO.

Существенным недостатком этого способа является отсутствие возможности использования прямозонного полупроводника ZnO с шириной запрещенной зоны Eg= 3,2 эВ в целях изготовления каких-либо источников света, излучающих в УФ-области спектра.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения монокристаллического оксида цинка с быстрым излучением в УФ-области спектра путем окислительно-восстановительной реакции в водороде под давлением в присутствии галлия на подложке в тигле (US 4181627, М.кл. С 09 К 11/26, 01.01.1980).

Задачей настоящего изобретения является изготовление источников УФ-излучения на основе ZnO в монокристаллическом состоянии.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения монокристаллического оксида цинка с быстрым излучением в ультрафиолетовой области спектра путем окислительно-восстановительной реакции в водороде под давлением в присутствии галлия, процесс осуществляют при температуре зоны подложки 770-940 К и зоны тигля 990-1020 К, после чего проводят отжиг оксида цинка, легированного галлием, на воздухе или в кислороде атмосферного давления при температуре 970-1020 К в течение времени t40 мин, а затем выдерживают его в водороде под давлением при температуре 820 К в течение времени t10 мин.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что ZnO, легированный Ga, по ходу получения в монокристаллическом виде отжигается в атмосфере водорода при T=820 К. Люминесцентное излучение, полученного таким образом образца ZnO: Ga; H находится в пределах длин волн от 360 до 400 нм (max = 385 нм).

Монокристаллы и эпитаксиальные слои ZnO, легированные галлием в пределах концентраций 0,4-6 ат. %, в процессе выращивания путем осуществления окислительно-восстановительной транспортной реакции в водороде с давлением 1,4-2,0 атм, содержащем пары воды больше 13%, при температуре зоны подложки (затравки) Т1=770-940 К и температуре зоны тигля (источника), T2=990-1020 К, с целью увеличения степени прозрачности образцов и преобразования или энергии возбуждения в энергию излучения в пределах спектральной полосы от 360 до 410 нм со временем флюоресценции меньше 10-8 с, отжигают, при этом отжиг проводят на воздухе или в кислороде атмосферного давления при температуре Т= 970-1020 К, в течение времени t40 мин, а затем его выдерживают в водороде с давлением р = 1,8 атм при температуре 820 К в течение времени t10 мин.

В условиях осуществления реакции (1) из всех металлов третьей основной группы периодической системы элементов для легирования ZnO с целью значительного уменьшения концентрации вакансий кислорода в его решетке по кристаллохимическим (ионный радиус, величина сродства к электрону) и технологическим (летучесть Ga2O) параметрам, наиболее подходящим металлом является галлий (Ga). Он может быть введен в исходный порошок ZnO в виде металла или его оксида (Ga2O3) в пределах от 0,4-6 ат.%.

В среде влажного водорода как Ga, так и оксид галлия (Ga2O3) при температуре Т>960 К по реакциям

2Ga(ж)+Н2О(г)->Ga2O(г)+Н2(г),

Ga2O3(T)+4Ga(ж)->3Ga2О(г)

превращаются в закись галлия (Ga2O) и она транспортируется в зону роста ZnO и легирует его.

Оксид цинка, легированный таким способом, обладает: высокой проводимостью (8103 Ом-1 см-1); прозрачен в пределах длин волн от 420 до 2500 нм (Т85%); обладает отражательной способностью R на уровне 75-80% в области спектра от 6103 до 30103 нм и более в 6 раз меньшей интенсивностью люминесценции в видимой области спектра (max = 510 нм), чем таковая нелегированного галлием ZnO при сравнимых уровнях их возбуждения, а интенсивность излучения в УФ-области увеличивается во столько же раз.

Свойства ZnO: Ga стабильны в вакууме, в окружении водорода и паров воды до 600 К, а на воздухе и в атмосфере инертных газов - до 800 К.

Дальнейшее увеличение степени прозрачности и интенсивности УФ-излучения и гашение практически до нуля интенсивности видимой люминесценции в ZnO:Ga наблюдается после отжига его на воздухе или в кислороде при температуре Т= 970-1020 К в пределах времени t40 мин и выдержке в водороде с давлением 1,8 атм при температуре Т=820 К в течение времени t10 мин.

После отжига ZnO:Ga на воздухе или в кислороде обеспечивает выход избыточного цинка на поверхность образца (при большом избытке он обладает тенденцией локализации в местах линейных дефектов структуры в электронейтральном состоянии) и окисление его на поверхности за счет кислорода окружающей среды по реакции:



Результатом выполнения второго этапа термообработки ZnO:Ga в водороде является активация диффузии водорода в объем его и образование им с решеточным кислородом и его вакансиями в ней Vo комплексов типа (О-Н) и (Vo-H). Комплекс (Vo-H) в решетке ZnO, в отличие от вакансии Vo, не может поглощать энергию возбуждения и переходить в возбужденное состояние, а затем переизлучать ее.

Излучение ZnO:Ga:H при T=300 К, возбуждаемом импульсами азотного лазера ЛГИ-21, потоками электронов и -частиц, находится в ближней УФ-области спектра в пределах длин волн от 360 до 410 нм (max = 385 нм, Е=3,231 эВ), тогда как в видимой области спектра излучение практически отсутствует. Для разрешения структуры излучения в пределах данной УФ-полосы излучения, обусловленной аннигиляцией свободных и связанных экситонов и электронными переходами из зоны в зону (ZnO - прямозонный полупроводник) достаточно охлаждения ZnO:Ga:H до температуры жидкого азота.

Время послесвечения ZnO: Ga:H, полученного предложенным нами способом, 10-8 с (длительность флюоресценции). Спектр люминесценции ZnO:Ga:H при Т= 300 К показан на фиг.2.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить монокристаллический ZnO:Ga:H, обладающий уникальными свойствами, особенно в виде слоев на Al2O3 толщиной от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Он пригоден для изготовления не только лазеров, работающих в УФ-области спектра, но и сцинтилляторов -частиц, измерителей их энергии. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ получения монокристаллического оксида цинка с быстрым излучением в ультрафиолетовой области спектра путем окислительно-восстановительной реакции в водороде под давлением в присутствии галлия, отличающийся тем, что процесс осуществляют при температуре зоны подложки 770-940 К и зоны тигля 990-1020 К, после чего проводят отжиг оксида цинка, легированного галлием, на воздухе или в кислороде атмосферного давления при температуре 970-1020 К в течение времени t40 мин, а затем выдерживают его в водороде под давлением при температуре 820 К в течение времени t10 мин.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru