RU2740590C1 - Method of producing cosi monocrystals by chemical vapor transport - Google Patents
Method of producing cosi monocrystals by chemical vapor transport Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740590C1 RU2740590C1 RU2020128492A RU2020128492A RU2740590C1 RU 2740590 C1 RU2740590 C1 RU 2740590C1 RU 2020128492 A RU2020128492 A RU 2020128492A RU 2020128492 A RU2020128492 A RU 2020128492A RU 2740590 C1 RU2740590 C1 RU 2740590C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cosi
- chemical vapor
- monocrystals
- producing
- vapor transport
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 24
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910019001 CoSi Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims abstract description 4
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical group [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 150000004694 iodide salts Chemical class 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- AIOWANYIHSOXQY-UHFFFAOYSA-N cobalt silicon Chemical compound [Si].[Co] AIOWANYIHSOXQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000005667 quantum oscillations Effects 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения монокристаллов химическим транспортом паров.The invention relates to methods of producing single crystals by chemical vapor transport.
Моносилицид кобальта CoSi представляет интерес для применения в термоэлектрических преобразователях, а также рассматривается в качестве перспективного топологического полуметалла.Cobalt monosilicide CoSi is of interest for use in thermoelectric converters, and is also considered as a promising topological semimetal.
Существует много способов получения CoSi в виде тонких пленок и слоев. В таком виде моносилицид кобальта пригоден для применения в определенных конструкциях термоэлектрических преобразователей. Однако в некоторых случаях предпочтительнее иметь монокристаллы. Кроме того, для ряда возможных применений CoSi в качестве материала с топологически защищенными свойствами также необходимы монокристаллы.There are many ways to obtain CoSi in the form of thin films and layers. In this form, cobalt monosilicide is suitable for use in certain designs of thermoelectric converters. However, in some cases, it is preferable to have single crystals. Moreover, for a number of possible applications of CoSi as a material with topologically protected properties, single crystals are also required.
Монокристаллический CoSi в настоящее время получают в основном из раствора в расплаве. В качестве растворителей используют теллур, сурьму или олово. Типичные линейные размеры кристаллов 1-2 мм. Общий недостаток таких методов - загрязнение кристаллов примесью растворителя, что может существенно влиять на свойства CoSi. Кроме того, извлечение монокристаллов из растворителя требует либо центрифугирования горячего расплава, что технически сложно, либо механического извлечения из затвердевшего растворителя, что ведет к механическим повреждениям кристаллов.Monocrystalline CoSi is currently obtained mainly from a solution in a melt. Tellurium, antimony or tin are used as solvents. Typical crystal linear dimensions are 1–2 mm. A common disadvantage of such methods is the contamination of crystals with solvent impurities, which can significantly affect the properties of CoSi. In addition, the extraction of single crystals from the solvent requires either centrifugation of the hot melt, which is technically difficult, or mechanical extraction from the solidified solvent, which leads to mechanical damage to the crystals.
Известен способ получения высокочистых монокристаллов CoSi [Kim Young, Lee Chung Hyo. Method of manufacturing CoSi-based thermoelectric material and n-typed thermoelectric material manufactured by the same. KR20140141336A] - аналог, включающий спекание порошков кобальта и кремния под давлением от 40 до 80 МПа при температуре от 800° до 1000°С. В результате такого процесса получается порошок CoSi со средним диаметром частиц 1 мкм при размере зерна в частицах 300-400 нм. Часть таких зерен представляет собой монокристаллы. Основным недостатком этого способа является малый размер монокристаллов. Также следует отметить, что извлечение монокристаллических зерен из частиц порошка технически сложно.A known method of obtaining high-purity single crystals of CoSi [Kim Young, Lee Chung Hyo. Method of manufacturing CoSi-based thermoelectric material and n-typed thermoelectric material manufactured by the same. KR20140141336A] - an analogue, including the sintering of cobalt and silicon powders under a pressure of 40 to 80 MPa at a temperature of 800 ° to 1000 ° C. As a result of this process, a CoSi powder is obtained with an average particle diameter of 1 μm and a grain size of 300-400 nm in particles. Some of these grains are single crystals. The main disadvantage of this method is the small size of the single crystals. It should also be noted that the extraction of single crystal grains from powder particles is technically difficult.
Известен способ получения монокристаллов химически транспортом паров в ампулах из кварцевого стекла с использованием йода в качестве транспортирующего агента [Xitong Xu, Xirui Wang, Tyler A. Cochran, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, llya Belopolski, Guangqiang Wang, Yiyuan Liu, Hung-Ju Tien, Xin Gui, Weiwei Xie, M. Zahid Hasan, Tay-Rong Chang, Shuang Jia. Crystal growth and quantum oscillations in the topological chiral semimetal CoSi. Physical Review В 100, 045104 (2019)] - прототип.В этом способе исходным материалом служит предварительно синтезированный CoSi или смесь Co+Si. Процесс проводится при следующих температурах: в горячей зоне 1100°С, в холодной зоне 900-1000°С. При этом разность температур в горячей и холодной зонах составляет 100 град. Размеры получаемых кристаллов (≈1 мм) сопоставимы с размерами монокристаллов, выращенных из раствора в расплаве, но при проведении процесса по способу прототипу отсутствуют причины для загрязнения CoSi посторонними примесями - промежуточные иодиды, участвующие в химическом транспорте, разлагаются полностью. К недостаткам способа-прототипа следует отнести большую продолжительность процесса, составляющую 10 суток. Кроме того, применение температур горячей зоны свыше 1000°С предъявляет повышенные требования к материалам ампул и нагревательных элементов печей, что усложняет процесс.A known method of producing single crystals by chemically transporting vapors in quartz glass ampoules using iodine as a transport agent [Xitong Xu, Xirui Wang, Tyler A. Cochran, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, llya Belopolski, Guangqiang Wang, Yiyuan Liu, Hung- Ju Tien, Xin Gui, Weiwei Xie, M. Zahid Hasan, Tay-Rong Chang, Shuang Jia. Crystal growth and quantum oscillations in the topological chiral semimetal CoSi. Physical Review B 100, 045104 (2019)] - prototype. In this method, the starting material is a pre-synthesized CoSi or a mixture of Co + Si. The process is carried out at the following temperatures: in the hot zone 1100 ° C, in the cold zone 900-1000 ° C. In this case, the temperature difference in the hot and cold zones is 100 degrees. The dimensions of the crystals obtained (≈1 mm) are comparable to the dimensions of single crystals grown from a solution in a melt, but when the process is carried out according to the prototype method, there are no reasons for the contamination of CoSi with foreign impurities - intermediate iodides involved in chemical transport decompose completely. The disadvantages of the prototype method include the long duration of the process, which is 10 days. In addition, the use of hot zone temperatures above 1000 ° C places increased demands on the materials of ampoules and heating elements of furnaces, which complicates the process.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров, обеспечивающего снижение продолжительности процесса и рабочих температур без уменьшения размеров получаемых кристаллов.The objective of the present invention is to provide a method for producing CoSi single crystals by chemical vapor transport, which provides a reduction in the duration of the process and operating temperatures without reducing the size of the crystals obtained.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения монокристаллов CoSi химическим транспортом паров при разности температур в горячей и холодной зонах в 100 градусов, включающем химический транспорт в кварцевых ампулах с использованием йода в качестве транспортирующего агента и предварительно синтезированного CoSi в качестве исходного материала, температура в горячей зоне составляет 950-980°С.The problem is solved by the fact that in the known method of obtaining CoSi single crystals by chemical vapor transport at a temperature difference in hot and cold zones of 100 degrees, including chemical transport in quartz ampoules using iodine as a transport agent and pre-synthesized CoSi as a starting material, the temperature in the hot zone is 950-980 ° C.
Использование предлагаемого режима позволяет выращивать монокристаллы CoSi с максимальными линейными размерами до 2-2,5 мм за 5 суток, то есть обеспечивается не менее чем двукратное снижение продолжительности процесса. При этом температура в горячей зоне снижается, что дополнительно упрощает процесс.Using the proposed mode allows growing CoSi single crystals with maximum linear dimensions up to 2-2.5 mm in 5 days, that is, at least a twofold decrease in the process duration is provided. This reduces the temperature in the hot zone, which further simplifies the process.
На фотографии Фиг. 1 показаны монокристаллы CoSi, выращенные по предлагаемому способу (цена деления сетки 1 мм).In the photograph of FIG. 1 shows single crystals of CoSi grown by the proposed method (grid scale 1 mm).
Достигнутый результат объясняется тем, что при выбранных температурах промежуточные иодиды, пары которых обеспечивают транспорт, более устойчивы (в сравнении со способом-прототипом). Это обеспечивает более интенсивный массоперенос.The achieved result is explained by the fact that at the selected temperatures intermediate iodides, the vapors of which provide transport, are more stable (in comparison with the prototype method). This provides a more intense mass transfer.
Предлагаемые параметры процесса выбраны экспериментально. При температуре в горячей зоне выше 980°С скорость роста кристаллов падает и продолжительность процесса увеличивается. При температуре в горячей зоне ниже 950°С не образуется достаточного количества промежуточных иодидов, что также приводит к замедлению процесса роста.The proposed process parameters are selected experimentally. At temperatures in the hot zone above 980 ° C, the rate of crystal growth decreases and the duration of the process increases. At temperatures in the hot zone below 950 ° C, a sufficient amount of intermediate iodides is not formed, which also leads to a slowdown in the growth process.
Примеры приведены в таблице.Examples are shown in the table.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020128492A RU2740590C1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Method of producing cosi monocrystals by chemical vapor transport |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020128492A RU2740590C1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Method of producing cosi monocrystals by chemical vapor transport |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2740590C1 true RU2740590C1 (en) | 2021-01-15 |
Family
ID=74184087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020128492A RU2740590C1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Method of producing cosi monocrystals by chemical vapor transport |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2740590C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4215649A1 (en) | 2022-01-24 | 2023-07-26 | Ivan Timokhin | Preparation of shaped crystalline layers by use of the inner shape/surface of the ampule as a shape forming surface |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1332573A (en) * | 1970-09-23 | 1973-10-03 | Bbc Brown Boveri & Cie | Method of making intermetallic compounds |
| KR101473101B1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-15 | 목포대학교산학협력단 | METHOD OF MANUFACTURING CoSi-BASED THERMOELECTRIC MATERIAL AND n-TYPED THERMOELECTRIC MATERIAL MANUFACTURED BY THE SAME |
-
2020
- 2020-08-26 RU RU2020128492A patent/RU2740590C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1332573A (en) * | 1970-09-23 | 1973-10-03 | Bbc Brown Boveri & Cie | Method of making intermetallic compounds |
| KR101473101B1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-15 | 목포대학교산학협력단 | METHOD OF MANUFACTURING CoSi-BASED THERMOELECTRIC MATERIAL AND n-TYPED THERMOELECTRIC MATERIAL MANUFACTURED BY THE SAME |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| XITONG XU et al., Crystal growth and quantum oscillations in the topological chiral semimetal CoSi, "Phys. Rev.", 2019, B 100, 045104. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4215649A1 (en) | 2022-01-24 | 2023-07-26 | Ivan Timokhin | Preparation of shaped crystalline layers by use of the inner shape/surface of the ampule as a shape forming surface |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI885627B (en) | Vapor deposition apparatus and techniques using high purity polymer derived silicon carbide | |
| CN105246826B (en) | The manufacture method of silicon carbide powder and single-crystal silicon carbide | |
| JP5710745B2 (en) | Controlled silicon carbide growth method and structure made by the method | |
| CN105308223B (en) | Method for synthesizing ultra-high purity carborundum | |
| Isshiki et al. | Wide-bandgap II-VI semiconductors: growth and properties | |
| Wang et al. | Wide-bandgap II–VI semiconductors: growth and properties | |
| Purdy et al. | Ammonothermal recrystallization of gallium nitride with acidic mineralizers | |
| JP6489891B2 (en) | Method for producing SiC raw material used in sublimation recrystallization method | |
| CN1344336A (en) | Preparation method of aluminum nitride, silicon carbide and aluminum nitride: silicon carbide alloy bulk single crystal | |
| CN104837767B (en) | Silicon carbide powder and its preparation method | |
| JP4419937B2 (en) | Method for producing silicon carbide single crystal | |
| Grzegory et al. | Crystal growth of III-N compounds under high nitrogen pressure | |
| JPH06316499A (en) | Method for producing silicon carbide single crystal | |
| RU2740590C1 (en) | Method of producing cosi monocrystals by chemical vapor transport | |
| CN109437124B (en) | A kind of method for synthesizing monolayer transition metal chalcogenides | |
| CN106006573B (en) | A kind of preparation method of arsenic selenide | |
| KR101614325B1 (en) | Method of manufacturing silicon carbide powder contaning vanadium and silicon carbide single cryctal thereof | |
| CN110284195A (en) | Boron phosphide single crystal and preparation method and application thereof | |
| KR101854731B1 (en) | Method for ingot | |
| US20080200327A1 (en) | Barium titanate single crystal and preparation method thereof | |
| CN117512558B (en) | A class of two-dimensional transition metal/alloy sulfides and their preparation methods | |
| Carter et al. | Growing single crystals | |
| KR102780049B1 (en) | A single crystal and the manufacturing method by the sublimation process using raw ceramic materials manufactured by the chemical vapor deposition process | |
| JPH0416597A (en) | Method for manufacturing silicon carbide single crystal | |
| KR101425980B1 (en) | An apparatus and method for preparing silicon carbide powder |