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JP6037871B2 - Crystal growth method for rare earth sesquisulfides - Google Patents

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JP6037871B2 JP2013020653A JP2013020653A JP6037871B2 JP 6037871 B2 JP6037871 B2 JP 6037871B2 JP 2013020653 A JP2013020653 A JP 2013020653A JP 2013020653 A JP2013020653 A JP 2013020653A JP 6037871 B2 JP6037871 B2 JP 6037871B2
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Description

本発明は、化学技術の分野において、硫化物、特に、Th34構造を有する高温変態γ−Ln23(Lnは、Y、Sc、及び、ランタノイドの希土類の総称。以下、同じ。)を含む、Snドープによりドープされた希土類セスキ硫化物の結晶を晶析及び成長させる方法に関するものである。 In the field of chemical technology, the present invention relates to sulfides, in particular, high-temperature transformation γ-Ln 2 S 3 having a Th 3 P 4 structure (Ln is a general term for Y, Sc, and lanthanoid rare earths, hereinafter the same). ), And a method for crystallizing and growing rare earth sesquisulfide crystals doped by Sn doping.

希土類セスキ硫化物は、高温で酸素原子との親和性が非常に大きいため、結晶を晶析及び成長させるには、酸素と水分が硫化物と相互作用して酸硫化物へと変換することがないように、閉鎖型の排気式反応装置内でプロセスを実施する必要がある。   Rare earth sesquisulfides have a very high affinity with oxygen atoms at high temperatures, so oxygen and moisture can interact with sulfides and convert to oxysulfides to crystallize and grow crystals. There is a need to carry out the process in a closed exhaust reactor.

希土類セスキ硫化物の融点は非常に高く、約2000℃での融点領域では、融液及び蒸気に対して不活性であると同時に、反応装置に高い気密性を提供する適切な構造材料が存在しないので、融液から硫化物を成長させるには、技術上の難しい問題がある。さらに、硫化物融液の熱解離によるS(硫黄)の欠損を防ぐため、種々の雰囲気中で、所要の硫化物蒸気圧を作り出す必要がある。   The melting point of rare earth sesquisulfides is very high, and in the melting point region at about 2000 ° C., there is no suitable structural material that is inert to the melt and vapor and at the same time provides high hermeticity to the reactor. Therefore, there are technical difficulties in growing sulfide from the melt. Furthermore, in order to prevent the loss of S (sulfur) due to thermal dissociation of the sulfide melt, it is necessary to create a required sulfide vapor pressure in various atmospheres.

希土類セスキ硫化物の晶析及び成長における別の特徴は、複数の多重変態が存在することである。希土類セスキ硫化物には、低温側から、α相、β相、そして、1300℃以上では、Th34構造を有する高温変態γ−Ln23等の結晶多形が存在する。このうち、Th34構造を有する高温変態γ−Ln23は、高い熱電特性を示し、技術的応用にとって最も有利である。 Another feature in the crystallization and growth of rare earth sesquisulfides is the presence of multiple multiple transformations. In rare earth sesquisulfides, from the low temperature side, polymorphs such as α phase, β phase, and high temperature transformation γ-Ln 2 S 3 having a Th 3 P 4 structure exist at 1300 ° C. or higher. Among these, high-temperature transformation γ-Ln 2 S 3 having a Th 3 P 4 structure exhibits high thermoelectric properties and is most advantageous for technical applications.

しかしながら、その成長のためには、1300℃超の温度が必要とされ(熱力学的安定性の下方境界)、この場合、石英は反応装置として不適切である。石英反応装置を使用して、希土類セスキ硫化物のTh34構造を有する高温変態γ相形態の結晶を成長させるには、高温変態形態の安定性を確保するため、下方境界の温度を下げる特殊な手法又は低温方法を開発しなければならない。 However, for its growth, temperatures above 1300 ° C. are required (lower boundary of thermodynamic stability), in which case quartz is unsuitable as a reactor. To grow a high-temperature transformation γ-phase crystal having a Th 3 P 4 structure of rare earth sesquisulfide using a quartz reactor, the temperature of the lower boundary is lowered to ensure the stability of the high-temperature transformation morphology. Special methods or low temperature methods must be developed.

以下に、希土類セスキ硫化物結晶の製造方法の公知例を示す。   Below, the well-known example of the manufacturing method of a rare earth sesquisulfide crystal is shown.

1atmの硫黄蒸気圧下、約1800〜2400℃の温度で、融液からγ−Ln23を結晶成長させると、Th34構造を有し直径15mmで長さ20mmの大きな結晶塊が生成することは公知である(非特許文献1、参照)。 Crystal growth of γ-Ln 2 S 3 from the melt at a temperature of about 1800 to 2400 ° C. under 1 atm sulfur vapor pressure produces a large crystal lump with a Th 3 P 4 structure and a diameter of 15 mm and a length of 20 mm. It is known (see Non-Patent Document 1).

この場合、円錐形の底面を有する黒鉛又は非晶質黒鉛るつぼ内に粉末セスキ硫化物を入れ、このるつぼを特定の形態の石英反応容器内に設置する。該反応容器内の上部部分には、硫黄を入れたチャンバが存在する。この硫黄を沸騰温度まで加熱することにより、上記反応容器内に所要の硫黄蒸気分圧を作り出すことができる。   In this case, powdered sesquisulfide is placed in a graphite or amorphous graphite crucible having a conical bottom, and this crucible is placed in a quartz reactor of a specific form. A chamber containing sulfur is present in the upper part of the reaction vessel. By heating the sulfur to the boiling temperature, the required sulfur vapor partial pressure can be created in the reaction vessel.

高周波加熱を用いて、るつぼ内を選択的に約2000℃に加熱して、希土類セスキ硫化物を溶解するが、石英反応容器の内壁の温度は、るつぼとの間を遮蔽する耐熱材により、1200℃以下に保つことができる。石英反応容器は、HF−レジューサを通して引き出され、結晶成長は数時間進行する。   The inside of the crucible is selectively heated to about 2000 ° C. using high-frequency heating to dissolve the rare earth sesquisulfide, but the temperature of the inner wall of the quartz reaction vessel is set to 1200 by a heat-resistant material that shields from the crucible. It can be kept below ℃. The quartz reaction vessel is withdrawn through the HF-reducer and crystal growth proceeds for several hours.

融液からの結晶成長には、次の欠点がある。即ち、i)高温を使用するため、結晶時間を短縮せざるを得ず、ひいては、結晶サイズが小さいものとなる。そうでない場合、石英反応容器及び非晶質黒鉛るつぼが急速に劣化する。ii)結晶組織は、通常、硫黄の欠損で、化学量論比から大きく逸脱している。iii)るつぼの不均一な加熱を通して内部応力が発生するため、所要の硫黄蒸気分圧下で、1300℃に加熱する追加アニーリングが必要となる。   Crystal growth from the melt has the following drawbacks. That is, i) Since a high temperature is used, the crystallization time must be shortened, and as a result, the crystal size becomes small. Otherwise, the quartz reaction vessel and the amorphous graphite crucible will rapidly deteriorate. ii) The crystal structure is usually sulfur deficient and deviates greatly from the stoichiometric ratio. iii) Since internal stress is generated through uneven heating of the crucible, additional annealing is required to heat to 1300 ° C. under the required sulfur vapor partial pressure.

次に、輸送材としてI2を用いて、1150〜1200℃で、化学反応により、気相から希土類硫化物を成長させることが公知である(非特許文献2、参照)。この場合、任意の希土類セスキ硫化物又は複数の希土類セスキ硫化物の混合物(金属混合硫化物)の粉末を、固体I2と共に密封して、石英反応装置の高温ゾーン(1200℃)内に置く。 Next, it is known to grow rare earth sulfides from the gas phase by chemical reaction at 1150 to 1200 ° C. using I 2 as a transport material (see Non-Patent Document 2). In this case, a powder of any rare earth sesquisulfide or a mixture of multiple rare earth sesquisulfides (metal mixed sulfide) is sealed with solid I 2 and placed in the high temperature zone (1200 ° C.) of the quartz reactor.

この高温ゾーンで、蒸気圧の高い揮発性成分(LnI3及び硫黄)が生成する。低温ゾーン(1150℃)内では、前記揮発性成分(LnI3及び硫黄)の気体輸送及びそれらの間の化学反応に起因して結晶が成長する。この方法により、Ln23の複合硫化物の針状結晶(1.0×2.2×14mmサイズ)を得ることができる。 In this high temperature zone, volatile components with high vapor pressure (LnI 3 and sulfur) are produced. In the low temperature zone (1150 ° C.), crystals grow due to the gas transport of the volatile components (LnI 3 and sulfur) and the chemical reaction between them. By this method, needle-like crystals (1.0 × 2.2 × 14 mm size) of a composite sulfide of Ln 2 S 3 can be obtained.

この方法の欠点は、以下の通りである。即ち、i)希土類セスキ硫化物の成長部において、石英に対するLnI3蒸気の反応性が高いので、結晶化時間を短縮せざるを得ず、ひいては、結晶サイズが小さいものとなる。ii)LnI3の蒸気圧が低いため、輸送速度が低く、したがって、結晶のサイズが小さく、製品の収率が低い。iii)結晶の成長場が1200℃未満であるので、低温相(α相、又はβ相)が生じる可能性がある。 The disadvantages of this method are as follows. That is, i) In the rare earth sesquisulfide growth part, the reactivity of LnI 3 vapor with respect to quartz is high, so that the crystallization time has to be shortened, and the crystal size becomes small. ii) Due to the low vapor pressure of LnI 3 , the transport rate is low, thus the crystal size is small and the product yield is low. iii) Since the crystal growth field is less than 1200 ° C., a low temperature phase (α phase or β phase) may occur.

また、相転移温度以下で希土類セスキ硫化物の高温相結晶を成長させるために、sブロック元素及びdブロック元素による、希土類セスキ硫化物へのドーピングが試みられている。   In addition, in order to grow high-temperature phase crystals of rare earth sesquisulfides below the phase transition temperature, doping of rare earth sesquisulfides with s block elements and d block elements has been attempted.

Ar+硫黄蒸気圧流により、La23、SnO2、及び、CaCO3の複合混合物を硫化するステップと、La23内にSn及びCaをドーピングして900℃でγ相を形成させるステップにより、転移温度以下である900℃であっても、均一なγ相が得られることが報告されている(特許文献1及び2、参照)。 By sulfiding a composite mixture of La 2 S 3 , SnO 2 , and CaCO 3 with Ar + sulfur vapor pressure flow, and by doping Sn and Ca into La 2 S 3 to form a γ phase at 900 ° C. It has been reported that a uniform γ phase can be obtained even at 900 ° C. which is lower than the transition temperature (see Patent Documents 1 and 2).

本発明方法に最も近い従来方法は、溶媒としてLnI3を用いて、LnI3−S溶液から希土類セスキ硫化物を成長させる方法である(非特許文献3、参照)。 The conventional method closest to the method of the present invention is a method of growing rare earth sesquisulfide from an LnI 3 —S solution using LnI 3 as a solvent (see Non-Patent Document 3).

原子比1:1:1のRE、S、及び、I2の混合物を出発投入物として黒鉛るつぼ内に置き、さらに、石英反応装置内に置き、反応装置を排気し密封する。開始温度は600℃であり、反応装置を、この温度に1〜2時間保持して三元化合物LnSIを合成する。その後、1100〜1275℃まで上昇して(上昇温度は、Lnの種類により左右される)、LnSIが分解して、Ln23結晶がLnI3融液中に析出する。 A mixture of RE, S, and I 2 in an atomic ratio of 1: 1: 1 is placed as a starting charge in a graphite crucible and further placed in a quartz reactor, and the reactor is evacuated and sealed. The starting temperature is 600 ° C. and the reactor is held at this temperature for 1-2 hours to synthesize the ternary compound LnSI. Thereafter, the temperature rises to 1100 to 1275 ° C. (the temperature rise depends on the type of Ln), LnSI is decomposed, and Ln 2 S 3 crystals are precipitated in the LnI 3 melt.

融液を表わす後者の相は溶媒であり、結晶成長は、希土類硫化物の再結晶のように見える。成長した結晶は、水又はエタノール処理によって溶媒から分離される。この方法においては、いかなるドーピング効果も観察されなかった。   The latter phase representing the melt is a solvent and crystal growth appears to be a recrystallization of the rare earth sulfide. The grown crystals are separated from the solvent by water or ethanol treatment. In this method, no doping effect was observed.

この方法の欠点は以下の通りである。(1)LnI3蒸気と石英反応装置とは反応性が高く、成長プロセスの時間を大幅に短縮せざるを得ず、その結果、結晶サイズは、最高でも1×1×10mmまでの範囲になる。(2)反応温度が相転移温度以下であるので、1275℃超にある下方安定境界を有する立方晶Th34構造の硫化物の高温変態γ相を成長させることは不可能である。 The disadvantages of this method are as follows. (1) The reactivity of LnI 3 vapor and quartz reactor is high, and the growth process time must be greatly shortened. As a result, the crystal size is in the range of 1 × 1 × 10 mm at the maximum. . (2) Since the reaction temperature is not higher than the phase transition temperature, it is impossible to grow a high-temperature transformation γ phase of a sulfide having a cubic Th 3 P 4 structure having a lower stable boundary exceeding 1275 ° C.

(3)この方法で、Lnとして、La、Er、Tm、及び、Yを用いた場合、三元相LnSIの分解温度が1250℃以上であり、希土類セスキ硫化物を成長させるのに適さない。(4)最終生成物の浸出処理中の希土類の損失が約33%と大きい。   (3) In this method, when La, Er, Tm, and Y are used as Ln, the decomposition temperature of the ternary phase LnSI is 1250 ° C. or higher, which is not suitable for growing rare earth sesquisulfides. (4) The loss of rare earth during the leaching process of the final product is as large as about 33%.

上述の公知の方法の一部は、本発明方法と共通している。それは、耐熱性るつぼ内への出発成分の投入、石英反応装置内へのるつぼの設置、反応装置の排気及び密封、そして、炉内での加熱である。   Some of the known methods described above are in common with the method of the present invention. It is the introduction of starting components into a heat-resistant crucible, the installation of the crucible in a quartz reactor, the exhaust and sealing of the reactor, and the heating in the furnace.

特許CN101200604号公報Japanese Patent No. CN101200604 特許RU2388773号公報Japanese Patent No. RU2388773

A.A.Kamarzin、K.E.Mironov、V.V.Sokolov、Yu.N.Malovitsky、I.G.Vasilyeva//J.Cryst.Growth.1981、V52、P619〜622A. A. Kamarzin, K .; E. Mironov, V.M. V. Sokolov, Yu. N. Malovsky, I.M. G. Vasilyeva // J. Cryst. Growth. 1981, V52, P619-622 M.Leiss//J.Phys.C:Solid State Phys.V13、P151〜158M.M. Leiss // J. Phys. C: Solid State Phys. V13, P151-158 A.W.Sleight及びC.T.Prewitt//Inorg.Chem.1968.V7、No.11、P2282〜2288A. W. Sleight and C.I. T. T. Prewitt // Inorg. Chem. 1968. V7, No. 11, P2282-2288

本発明の目的は、i)Th34型の立方晶構造を有するLn23の高温変態γ相の成長と;ii)結晶サイズの増大と;iii)出発化合物の多様な組合せへの方法の拡大と;iv)結晶プロセスの各工程におけるS(硫黄)の欠損の最小化とを可能とする、融体から硫化物、中でも希土類セスキ硫化物の結晶を成長させる方法を提供することにある。 The object of the present invention is to i) growth of a high temperature transformation γ phase of Ln 2 S 3 having a Th 3 R 4 type cubic structure; ii) increase in crystal size; iii) various combinations of starting compounds To provide a method for growing a sulfide, especially a rare earth sesquisulfide crystal from a melt, which enables expansion of the method and iv) minimization of S (sulfur) deficiency in each step of the crystal process. is there.

本発明者らは、新規の溶媒SnSを用いて、成長した結晶からSnSを分離する手法、そして、硫化物の高温変態γ相の形成を可能とするドーピングプロセスと結晶化の組合せを使用して、Ln23とSnSの融液から希土類セスキ硫化物の結晶を成長させるという課題に取り組んだ。 The inventors have used a novel solvent, SnS, to separate SnS from grown crystals, and using a combination of doping process and crystallization that allows the formation of high temperature transformation gamma phases of sulfides. We tackled the problem of growing rare earth sesquisulfide crystals from a melt of Ln 2 S 3 and SnS.

本発明は、その結果に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。   The present invention has been made based on the results, and the gist thereof is as follows.

(1)熱的に安定なるつぼ内に出発成分を投入する工程、石英反応容器内に該るつぼを置く工程、上記反応容器を排気して密封する工程、及び、該容器装置を炉内で加熱する工程を含む結晶成長方法において、
(a)(a1)希土類セスキ硫化物(希土類は、Y、Sc、及びランタノイドの希土類群(以下、Lnと総称する。)から選ばれる1種)と硫化スズとの混合物、又は、(a2)複数の希土類(前記Lnから選ばれる2種以上)を含む希土類セスキ硫化物と硫化スズとの混合物、又は、(a3)希土類セスキ硫化物と一硫化スズを生成するための化学量論量の希土類元素(前記Lnから選ばれる1種又は2種以上)、Sn、及び、Sと、それに加えて溶媒として余剰のSnSからなる混合物
を出発成分として使用し、
(b)出発成分を収容した石英反応容器をSnSの融点より高い温度に加熱し、生成した融液が完全に均質化するまで保持し、
(c)上記反応容器に温度勾配を形成して、るつぼから上記反応容器の比較的低温の部分へ向かうSnSの蒸発及び物質移動を生じさせ、
(d)Th34構造を有する高温変態γ−Ln23を含む硫化物の結晶の成長を可能とし、
Snによる硫化物ドーピングを伴う希土類硫化物の結晶を晶析、及び成長させることを特徴とする希土類セスキ硫化物の結晶成長方法。
(1) A step of putting starting components into a thermally stable crucible, a step of placing the crucible in a quartz reaction vessel, a step of evacuating and sealing the reaction vessel, and heating the vessel apparatus in a furnace In the crystal growth method including the step of:
(A) (a1) a rare earth sesquisulfide (a rare earth is one selected from the group consisting of Y, Sc and a lanthanoid rare earth group (hereinafter referred to as Ln)) and tin sulfide, or (a2) A mixture of a rare earth sesquisulfide and tin sulfide containing a plurality of rare earths (two or more selected from the above Ln), or (a3) a stoichiometric amount of rare earth to produce rare earth sesquisulfide and tin monosulfide A mixture of element (one or more selected from the above-mentioned Ln), Sn, and S, and in addition to that, excess SnS as a solvent is used as a starting component
(B) heating the quartz reaction vessel containing the starting components to a temperature higher than the melting point of SnS and holding until the resulting melt is completely homogenized;
(C) forming a temperature gradient in the reaction vessel to cause SnS evaporation and mass transfer from the crucible towards the relatively cooler portion of the reaction vessel;
(D) enabling growth of sulfide crystals containing a high temperature transformation γ-Ln 2 S 3 having a Th 3 P 4 structure;
A method of growing a rare earth sesquisulfide crystal characterized by crystallizing and growing a rare earth sulfide crystal accompanied by sulfide doping with Sn.

(2)出発成分として、希土類セスキ硫化物(希土類は、Y、Sc、及びランタノイドの希土類群(以下、Lnと総称する。)から選ばれる1種)と硫化スズの混合物を用い、るつぼの底面に置いた種結晶を起点にして、結晶の晶析、及び成長を行なうことを特徴とする前記(1)に記載の希土類セスキ硫化物の結晶成長方法。   (2) As a starting component, a bottom surface of a crucible using a mixture of rare earth sesquisulfides (rare earth is one selected from the rare earth group of Y, Sc and lanthanoids (hereinafter collectively referred to as Ln)) and tin sulfide. The method of growing a rare earth sesquisulfide crystal as described in (1) above, wherein the crystal is crystallized and grown from the seed crystal placed on the substrate.

本発明によれば、従来方法に比べ、以下のことが可能となる。   According to the present invention, compared with the conventional method, the following becomes possible.

i)硫化物化合物、中でも、Sn(II)をドープした希土類セスキ硫化物の結晶を成長させること。   i) Growing crystals of sulfide compounds, especially rare earth sesquisulfides doped with Sn (II).

ii)Th34型の構造を持つ立方晶高温変態γ相形態の結晶を成長させること。 ii) Growing crystals in the form of cubic high-temperature transformation γ phase having a Th 3 P 4 type structure.

iii)より大きなサイズを有する希土類セスキ硫化物の結晶を成長させること。   iii) growing rare earth sesquisulfide crystals having a larger size.

iv)全ての希土類系列を用いた出発生成物の多様な組合せの結晶を成長させること。   iv) Growing crystals of various combinations of starting products using all rare earth series.

v)結晶化プロセスの全てのステップにおいて、S(硫黄)の欠損を最小限に抑えながら結晶を成長させること。   v) Growing crystals in all steps of the crystallization process with minimal S (sulfur) deficiency.

石英反応容器内のるつぼ内に、出発成分のLn23とSnSの混合物を収容した状態を示す図である。In the crucible of quartz reaction vessel, it is a diagram showing a state in which the mixture was housed in Ln 2 S 3 and SnS of the starting components. 図1に示す石英反応容器の全体をSnSの融点より高い温度に加熱し、生成した融液が完全に均質化するまで保持した後、上記反応容器に温度勾配を形成して、るつぼから反応容器の比較的低温の部分へ向かうSnSの蒸発及び物質移動を生じさせ、Ln23の結晶を晶析、成長させている状態を示す図である。The whole quartz reaction vessel shown in FIG. 1 is heated to a temperature higher than the melting point of SnS and held until the generated melt is completely homogenized, and then a temperature gradient is formed in the reaction vessel. relatively cause evaporation and mass transfer of SnS toward the low temperature part of a diagram showing crystallization crystals of Ln 2 S 3, a state in which grown.

以下、従来方法とは異なる本発明の希土類セスキ硫化物の結晶成長方法(以下「本発明方法」ということがある。)の要件を、詳細に説明する。   The requirements for the rare earth sesquisulfide crystal growth method of the present invention (hereinafter sometimes referred to as the “method of the present invention”) different from the conventional method will be described in detail below.

従来方法と本発明方法は、熱的に安定なるつぼ内への出発成分の投入、石英反応容器内へのるつぼの設置、上記反応容器の排気及び密封、及び、炉内での加熱などの共通の手順を有する。   The conventional method and the method of the present invention are common in that the starting components are put into a thermally stable crucible, the crucible is placed in a quartz reaction vessel, the reaction vessel is evacuated and sealed, and the furnace is heated. The procedure is as follows.

しかし、本発明方法は、以下の要領で機能する。図1及び図2に基づいて説明する。   However, the method of the present invention functions as follows. This will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、出発成分3のLn23とSnSの混合物(又は、希土類セスキ硫化物と一硫化スズを生産するための化学量論量の希土類元素と、Sn及びSとの混合物)を、黒鉛又は非晶質黒鉛のるつぼ2内に投入し、石英反応容器1内に設置する。 As shown in FIG. 1, a mixture of Ln 2 S 3 and SnS as starting components 3 (or a mixture of Sn and S with a stoichiometric amount of a rare earth element for producing rare earth sesquisulfide and tin monosulfide). ) Is introduced into a crucible 2 of graphite or amorphous graphite and placed in a quartz reaction vessel 1.

石英反応容器1を排気し、密封して、図2に示すように、低温部と高温部の2ゾーンに制御可能な炉(図示せず)の中に入れ、炉全体を、硫化物の混合物の場合には2000℃/時、元素由来の混合物については50℃/時で、約1100℃まで加熱する。   The quartz reaction vessel 1 is evacuated, sealed, and placed in a furnace (not shown) that can be controlled in two zones, a low temperature part and a high temperature part, as shown in FIG. In this case, the mixture is heated to about 1100 ° C. at 2000 ° C./hour, and for the element-derived mixture at 50 ° C./hour.

炉全体が高温の約1100℃の等温条件にある石英反応容器1内では、SnS融液中で、Ln23が完全に溶解し、Ln23−SnSの融液4が生成する。この融液4が均質化するまで、この温度に保持する。融液4と蒸気は、いずれも、この温度では石英と相互作用しない。このことは、実験により観察済である。 In the quartz reaction vessel 1 in which the entire furnace is at a high temperature of about 1100 ° C., Ln 2 S 3 is completely dissolved in the SnS melt, and a Ln 2 S 3 —SnS melt 4 is generated. This temperature is maintained until the melt 4 is homogenized. Neither melt 4 nor vapor interacts with quartz at this temperature. This has been observed through experiments.

石英反応容器1に沿う所要の温度勾配(低温部:約1050℃、及び、高温部:約1100℃)を形成し、上記融液4からのSnS蒸気を低温部で凝固させることにより、るつぼ2内から低温部へSnSの物質移動が生起する(図2、参照)。   The required temperature gradient (low temperature part: about 1050 ° C. and high temperature part: about 1100 ° C.) along the quartz reaction vessel 1 is formed, and the SnS vapor from the melt 4 is solidified in the low temperature part, whereby the crucible 2 Mass transfer of SnS occurs from the inside to the low temperature part (see FIG. 2).

SnSの物質移動に起因して、上記融液4中のLn23の濃度は、中間層を全くもたないLn23+SnS系の共晶図の液相線に達するまで増大し、希土類硫化物の等温結晶が晶出する(M.Guittard、M.Julien−Pouzol、S.Jaulmes//Mate.Res.Bull.1976、V11、P1073〜1080)。 Due to the mass transfer of SnS, the concentration of Ln 2 S 3 in the melt 4 increases until reaching the liquidus of the eutectic diagram of the Ln 2 S 3 + SnS system without any intermediate layer, Isothermal crystals of rare earth sulfides crystallize (M. Guittard, M. Julien-Pouzol, S. Jaulemes // Mate. Res. Bull. 1976, V11, P 1073-1080).

SnSの蒸発速度は、高温部及び低温部の2ゾーンの温度、温度勾配、反応容器の幾何形状及びその他の要素により制御可能であり、これにより、結晶サイズの制御も可能となる。図2に示すように、石英反応容器1の低温部分にSnSの凝固体6を収集できるので、るつぼ2から、溶媒であるSnS融液が完全に気化し、成長したLn23結晶5のみを回収することができる。 The evaporation rate of SnS can be controlled by the temperature of the two zones of the high temperature part and the low temperature part, the temperature gradient, the geometry of the reaction vessel, and other factors, and thus the crystal size can also be controlled. As shown in FIG. 2, since the SnS solidified body 6 can be collected in the low temperature portion of the quartz reaction vessel 1, the SnS melt as a solvent is completely vaporized from the crucible 2, and only the grown Ln 2 S 3 crystal 5 is obtained. Can be recovered.

この方法では、化学的副反応による、るつぼ及び反応容器の損傷、劣化がないため、成長プロセスの時間には、全く制限はない。この方法においては、結晶化とともに、希土類硫化物のSn(II)によるドーピングも行われ、その結果、約1100℃で、Th34構造をもつ結晶が生成する。 In this method, since there is no damage or deterioration of the crucible and the reaction vessel due to the chemical side reaction, there is no limitation on the time of the growth process. In this method, not only crystallization but also doping of rare earth sulfide with Sn (II) is performed. As a result, a crystal having a Th 3 P 4 structure is formed at about 1100 ° C.

本発明方法においては、Ln23+SnS系内に複合化合物が見られなかったことから、希土類系列全てについて、硫化物化合物の結晶成長が可能である。したがって、出発生成物として、適切な硫化物粉末の混合物を用いて、多元系希土類硫化物を成長させることができる可能性がある。 In the method of the present invention, since no composite compound was found in the Ln 2 S 3 + SnS system, the crystal growth of sulfide compounds is possible for all rare earth series. Therefore, it is possible to grow multi-element rare earth sulfides using a mixture of suitable sulfide powders as starting products.

従来方法に比べ、この方法のその他の利点は、るつぼからSnSが完全に蒸発させることができるので、溶媒から硫化物結晶を分離させる別のプロセスが不要であるという点である。このプロセスは、希土類元素から硫化物結晶への完全な変換、及び、反応容器内の反るつぼ側に凝固した純粋なSnSの完全な収集を可能とする。回収したSnSは、反復的使用を可能にする。   Another advantage of this method compared to the conventional method is that SnS can be completely evaporated from the crucible, thus eliminating the need for a separate process to separate the sulfide crystals from the solvent. This process allows complete conversion of rare earth elements to sulfide crystals and complete collection of pure SnS solidified on the side of the crucible in the reaction vessel. The recovered SnS enables repeated use.

種結晶とともに配向結晶化を実施し、成長する結晶のサイズを増大させる可能性が出てくる。   There is a possibility that the orientation crystallization is performed together with the seed crystal to increase the size of the growing crystal.

(実施例1)
硫化物結晶0.3gを得るために、モル比で、SnS:La23=0.95:0.05のSnSとLa23の混合物を、非晶質黒鉛るつぼ内に入れる。該るつぼを、石英反応容器内に入れて、10-2〜10-3Torrまで排気し、密封する。
Example 1
To obtain a sulfide crystals 0.3 g, in a molar ratio, SnS: La 2 S 3 = 0.95: 0.05 mixture of SnS and La 2 S 3, and placed in amorphous graphite crucible. The crucible is placed in a quartz reaction vessel and evacuated to 10 −2 to 10 −3 Torr and sealed.

上記反応容器を、2ゾーンを有する炉内に設置し、反応容器全体を約2000℃/時の速度で1100℃まで加熱する。SnS融液中にLa23が完全に溶解するまで、上記反応装置をこの温度に12時間保持する。 The reaction vessel is placed in a furnace having two zones, and the entire reaction vessel is heated to 1100 ° C. at a rate of about 2000 ° C./hour. The reactor is held at this temperature for 12 hours until La 2 S 3 is completely dissolved in the SnS melt.

その後、上記反応容器の低温部の温度を1050℃まで降下させる。この温度勾配で、るつぼから、上記反応容器内の比較的低温の部分へのSnSの物質移動が生じる。   Thereafter, the temperature of the low temperature part of the reaction vessel is lowered to 1050 ° C. This temperature gradient causes SnS mass transfer from the crucible to the relatively cooler portion of the reaction vessel.

比較的低温の部分はSnSのための収集装置として機能し、72時間、反応容器をその状態に保持した後、反応容器を氷水中で急冷する。非晶質黒鉛るつぼ内に暗赤色の結晶が残留し、これらは相均質であり、サイズは5×5×0.1mm3である。その他の特徴を表1に示す。 The relatively cold part functions as a collector for SnS, holding the reaction vessel in that state for 72 hours and then quenching the reaction vessel in ice water. Dark red crystals remain in the amorphous graphite crucible, which are phase homogeneous and have a size of 5 × 5 × 0.1 mm 3 . Other characteristics are shown in Table 1.

(実施例2)
硫化物結晶0.3gを得るために、モル比で、SnS:Dy23=0.95:0.05のSnSとDy23の混合物を、非晶質黒鉛るつぼ内に入れる。該るつぼを、石英反応容器内に入れて、10-2〜10-3Torrまで排気し、密封する。
(Example 2)
To obtain a sulfide crystals 0.3 g, in a molar ratio, SnS: Dy 2 S 3 = 0.95: 0.05 mixture of SnS and Dy 2 S 3, and placed in amorphous graphite crucible. The crucible is placed in a quartz reaction vessel and evacuated to 10 −2 to 10 −3 Torr and sealed.

上記反応容器を、2ゾーンを有する炉内に設置し、反応容器全体を約2000℃/時の速度で1100℃まで加熱する。SnS融液中にDy23が完全に溶解するまで、上記反応容器を、この温度に12時間保持する。 The reaction vessel is placed in a furnace having two zones, and the entire reaction vessel is heated to 1100 ° C. at a rate of about 2000 ° C./hour. The reaction vessel is held at this temperature for 12 hours until Dy 2 S 3 is completely dissolved in the SnS melt.

その後、上記反応容器の低温部の温度を1050℃まで降下させる。この温度勾配で、るつぼから反応容器内の比較的低温の部分へのSnSの物質移動が生じる。   Thereafter, the temperature of the low temperature part of the reaction vessel is lowered to 1050 ° C. This temperature gradient causes SnS mass transfer from the crucible to the relatively cooler portion of the reaction vessel.

比較的低温の部分は、SnSのための収集装置として機能し、72時間、反応容器をその状態に保持した後、反応容器を氷水中で急冷する。非晶質黒鉛るつぼ内に暗赤色の結晶が残留し、これらは相均質であり、サイズは1×1×0.5mm3である。その他の特徴を表1に示す。 The relatively cold part functions as a collector for SnS, holding the reaction vessel in that state for 72 hours and then quenching the reaction vessel in ice water. Dark red crystals remain in the amorphous graphite crucible, which are phase homogeneous and have a size of 1 × 1 × 0.5 mm 3 . Other characteristics are shown in Table 1.

(実施例3)
1.2gの結晶を得るために、0.10Lu+0.95Sn+1.10Sという原子比で、金属Lu粉末、金属Snの結晶粒、及び、硫黄の晶子を、非晶質黒鉛るつぼ内に入れる。調製手順を、PH20=0.3ppm、及び、P02=1.0ppmの雰囲気中で、ドライチャンバー内で実施した。
Example 3
In order to obtain 1.2 g of crystals, metal Lu powder, metal Sn crystal grains, and sulfur crystallites are placed in an amorphous graphite crucible at an atomic ratio of 0.10 Lu + 0.95 Sn + 1.10 S. The preparation procedure was performed in a dry chamber in an atmosphere of P H20 = 0.3 ppm and P 02 = 1.0 ppm.

上記るつぼを石英反応容器内に入れ、該反応容器を、最高10-2〜10-3Torrまで排気し密封した。上記反応容器を、2ゾーンを有する炉内に設置し、反応容器全体を約50℃/時の速度で1100℃まで加熱した。該反応容器をこの温度に4時間保持し、その後、該反応容器の低温部の温度を1050℃まで降下させた。 The crucible was placed in a quartz reaction vessel, and the reaction vessel was evacuated to a maximum of 10 −2 to 10 −3 Torr and sealed. The reaction vessel was placed in a furnace having two zones, and the entire reaction vessel was heated to 1100 ° C. at a rate of about 50 ° C./hour. The reaction vessel was held at this temperature for 4 hours, after which the temperature in the cold part of the reaction vessel was lowered to 1050 ° C.

この温度勾配で、るつぼから反応容器内の比較的低温の部分へのSnSの物質移動が生じた。上記反応容器を、72時間、この状態に保持した後、該反応装置を氷水中で急冷した。淡褐色の結晶が、非晶質黒鉛るつぼ内に残留し、これらは相均質で、サイズは、0.5×0.5×0.5mm3であった。その他の特徴を表1に示す。 This temperature gradient caused SnS mass transfer from the crucible to the relatively cooler portion of the reaction vessel. The reaction vessel was kept in this state for 72 hours, and then the reaction apparatus was quenched in ice water. Pale brown crystals remained in the amorphous graphite crucible, which were phase homogeneous and the size was 0.5 × 0.5 × 0.5 mm 3 . Other characteristics are shown in Table 1.

Figure 0006037871
Figure 0006037871

前述したように、本発明によれば、従来方法に比べ、以下のことが可能となる。   As described above, according to the present invention, the following is possible as compared with the conventional method.

i)硫化物化合物、中でも、Sn(II)をドープした希土類セスキ硫化物を結晶成長させること。   i) Crystal growth of a sulfide compound, particularly a rare earth sesquisulfide doped with Sn (II).

ii)Th34型の構造を持つ立方晶HT形態の結晶を成長させること。 ii) Growing a cubic HT-type crystal having a Th 3 P 4 type structure.

iii)より大きなサイズを有する希土類セスキ硫化物の結晶を成長させること。   iii) growing rare earth sesquisulfide crystals having a larger size.

iv)全ての希土類系列を用いた出発生成物の多様な組合せの結晶を成長させること。   iv) Growing crystals of various combinations of starting products using all rare earth series.

v)結晶化プロセスの全てのステップにおいて、S(硫黄)の欠損を最小限に抑えながら結晶を成長させること。   v) Growing crystals in all steps of the crystallization process with minimal S (sulfur) deficiency.

よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。   Therefore, the present invention has high industrial applicability.

1 石英反応容器
2 るつぼ
3 出発成分(Ln23/SnS混合物)
4 Ln23−SnSの融液
5 Ln23結晶
6 SnSの凝固体
1 Quartz reaction vessel 2 Crucible 3 Starting component (Ln 2 S 3 / SnS mixture)
4 Ln 2 S 3 -SnS melt 5 Ln 2 S 3 crystal 6 SnS solidified body

Claims (2)

熱的に安定なるつぼ内に出発成分を投入する工程、石英反応容器内に該るつぼを置く工程、上記反応容器を排気して密封する工程、及び、該反応容器を炉内で加熱する工程を含む結晶成長方法において、
(a)(a1)希土類セスキ硫化物(希土類は、Y、Sc、及び、ランタノイドの希土類群(以下、Lnと総称する。)から選ばれる1種)と硫化スズとの混合物、又は、
(a2)複数の希土類(前記Lnから選ばれる2種以上)を含む希土類セスキ硫化物と硫化スズとの混合物、又は、
(a3)希土類セスキ硫化物と一硫化スズを生成するための化学量論量の希土類元素(前記Lnから選ばれる1種又は2種以上)、Sn、及び、Sと、それに加えて溶媒として余剰のSnSからなる混合物
を出発成分として使用し、
(b)出発成分を収容した石英反応容器をSnSの融点より高い温度に加熱し、生成した融液が完全に均質化するまで保持し、
(c)上記反応容器に温度勾配を形成して、るつぼから上記反応容器の比較的低温の部分へ向かうSnSの蒸発及び物質移動を生じさせ、
(d)Th34構造を有する高温変態γ−Ln23を含む硫化物の結晶の成長を可能とし、
Snによる硫化物ドーピングを伴う希土類硫化物の結晶を晶析、及び成長させることを特徴とする希土類セスキ硫化物の結晶成長方法。
The step of introducing starting components into a thermally stable crucible, the step of placing the crucible in a quartz reaction vessel, the step of evacuating and sealing the reaction vessel, and the step of heating the reaction vessel in a furnace In a crystal growth method including:
(A) (a1) a rare earth sesquisulfide (a rare earth is a mixture of Y, Sc and a rare earth group of lanthanoids (hereinafter collectively referred to as Ln)) and tin sulfide, or
(a2) a mixture of a rare earth sesquisulfide containing a plurality of rare earths (two or more selected from Ln) and tin sulfide, or
(a3) Stoichiometric amount of rare earth elements (one or more selected from the above-mentioned Ln), Sn, and S for generating rare earth sesquisulfide and tin monosulfide, and a surplus as a solvent in addition thereto Using a mixture of SnS as a starting component,
(B) heating the quartz reaction vessel containing the starting components to a temperature higher than the melting point of SnS and holding until the resulting melt is completely homogenized;
(C) forming a temperature gradient in the reaction vessel to cause SnS evaporation and mass transfer from the crucible towards the relatively cooler portion of the reaction vessel;
(D) enabling growth of sulfide crystals containing a high temperature transformation γ-Ln 2 S 3 having a Th 3 P 4 structure;
A method of growing a rare earth sesquisulfide crystal characterized by crystallizing and growing a rare earth sulfide crystal accompanied by sulfide doping with Sn.
出発成分として、希土類セスキ硫化物(希土類は、Y、Sc、及び、ランタノイドの希土類群(以下、Lnと総称する。)から選ばれる1種)と硫化スズの混合物を用い、るつぼの底面に置いた種結晶を起点にして、結晶の晶析、及び成長を行なうことを特徴とする請求項1に記載の希土類セスキ硫化物の結晶成長方法。   As a starting component, a rare earth sesquisulfide (rare earth is one selected from Y, Sc, and a lanthanoid rare earth group (hereinafter referred to as Ln)) and tin sulfide is used and placed on the bottom of the crucible. 2. The method for growing a rare earth sesquisulfide crystal according to claim 1, wherein the crystal is crystallized and grown from the seed crystal as a starting point.
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