Brevet FR2660940A1 — publié le 19911018

"Procédé de fabrication d'un monocristal de rutile" La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un monocristal de rutile (Ti 02). Le monocristal de rutile a attiré l'atten- tion comme élément optique de haute précision et différents procédés de préparation de celui-ci ont déjà été proposés Dans la publication du brevet japonais No 2-5720/1990 par exemple, on indique que pour obtenir un cristal de rutile de bonne qualité, il est nécessaire de ne cristalliser qu'un seul type de phase cristalline pendant la solidification d'un liquide en fusion Pour mettre en oeuvre une telle procédure, on a proposé, pour la croissance du cristal, de former une pression partielle d'oxygène dans l'atmosphère, cette pression partielle étant de l'ordre de 3 x 10-2 ou moins, lorsqu'on fait croître le cristal à partir du liquide en fusion. Lorsque le procédé classique ci-dessus est appliqué par exemple au cas o l'on fait croître un monocristal de rutile présentant un diamètre maximum de 15 mm ou de cet ordre, en utilisant le procédé à zone flottante, il n'y a absolument aucun problème lorsqu'on utilise simplement le procédé décrit comme l'un des procédés classiques Cependant, dans le cas d'un cristal présentant un diamètre de 15 mm ou plus, le cristal ne pourrait plus être fabriqué par le procédé classique ci-dessus. En effet, le procédé à zone flottante consiste à former un matériau flottant par chauffage entre un cristal de semence et un barreau du matériau de départ Cependant, lorsque le diamètre du cristal augmente, la quantité du matériau flottant augmente de sorte que son poids augmente également et que ce matériau flottant ne peut plus être retenu par tension superficielle, et se met à couler goutte à goutte. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes ci-dessus en créant un procédé de fabrication d'un monocristal de rutile qui permette d'obtenir un cristal de grande taille. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un monocristal de rutile (Ti 02) par un procédé à zone flottante, procédé caractérisé en ce qu'on choisit la direction de l'axe de croissance du cristal, de façon que cette direction soit celle de l'axe du cristal. Suivant une autre amélioration de l'invention l'angle formé entre la direction de croissance du cristal et l'axe est inférieur à 15 degrés. L'invention sera décrite en détail en se référant au dessin de la figure 1 (unique) ci-jointe, dans laquelle la référence 1 désigne une tige de rétention, la référence 2 désigne un cristal de semence, la référence 3 désigne une barre d'un matériau de départ, la référence 4 désigne un matériau flottant et la référence 5 désigne un dispositif de maintien de la température du cristal. La figure 1 est un dessin représentant en détails, le voisinage d'un matériau flottant Dans cette partie un cristal de semence 2 est fixé à une tige de rétention 1 et un matériau flottant 4 est situé entre un barreau de matériau de départ 3 et les éléments ci-dessus, la figure représentant également l'état de chauffage de ces matériaux dont une partie est recouverte par un dispositif 5 de maintien dont une partie est recouverte par un dispositif 5 de maintien de la température du cristal Une flèche en pointillés indique la direction de l'axe l 001 l du cristal de semence, et une flèche en trait plein indique la direction de croissance du cristal L'angle formé entre la direction de l'axe de croissance du cristal et l'axe l 001 l du cristal de semence est de préférence inférieur à 150 et, mieux encore, inférieur à 3 Au contraire, lorsque cet angle est de 30 ou plus, il devient extrêmement difficile de retenir le matériau flottant. On a constaté expérimentalement ici que le matériau flottant peut être facilement retenu lorsqu'on fait coïncider l'axe l 001 l du cristal de semence avec l'axe de croissance du cristal, mais on n'est pas certain de la raison pour laquelle ce matériau flottant est facilement retenu Cependant, on peut considérer que cela est dû au fait que, parmi les plans du cristal de rutile, un plan dans lequel la croissance est facile à obtenir est le plan l 110 l, c'est-à-dire qu'une direction d'axe dans laquelle la croissance est lente est la direction de l'axe l 110 l. Ainsi, on peut considérer que dans le cas de la croissance suivant l'axe l 001 l, la facette de plan ( 110) n'apparaît en aucun endroit de l'interface solide-liquide, mais que lorsque le cristal croît suivant l'autre direction axiale, la facette ( 10) est formée dans l'interface solide-liquide, de sorte que cette interface solide-liquide devient une forme capable de retenir fortement le matériau flottant. EXEMPLE - La présente invention est décrite ci-après en se référant à un exemple. De la poudre de Ti 02 ( 99,98 %) disponible dans le commerce a été soumise à un moulage à la presse à tampon sous une pression hydrostatique de 9.806 x 104 Pa pour prendre une forme de barreau, puis agglomérée à l'air à 1 400 C Le barreau a été placé dans un dispositif de fabrication d'un monocristal par le procédé flottant à condenseur, en utilisant un miroir rotatif à surface de forme ovale comme matériau de départ, et en plaçant l'axe d'un cristal de semence dans la direction de l'axe l 001 l Un dispositif de maintien de la température du cristal a été monté au voisinage du matériau flottant On a ensuite introduit du C 02 dans une chambre de cristal pour commander une pression partielle d'oxygène dans l'atmosphère, et l'on a fait passer ce gaz avec un débit de 2 litres/minute jusqu'à la fin de la croissance du cristal. Les opérations de croissance du cristal ont été effectuées suivant la manière classique du procédé à zone flottante, pour obtenir ainsi un cristal bleu- noir Les conditions de croissance étaient, qu'on faisait tourner dans ce cas, le barreau du matériau de dépôt et le cristal de semence en sens inverses à une vitesse de 25 tours/minute chacun, la vitesse de croissance du cristal étant ainsi de 3 mm/heure Le cristal obtenu était recuit à l'air à 8000 C pendant 48 heures pour obtenir un matériau cristallin transparent légèrement jaunâtre. Après avoir découpé dans ce matériau un échantillon présentant un plan parallèle à la direction de croissance et un plan perpendiculaire à cette direction, on polit optiquement cet échantillon. Lorsqu'on observe ce produit au microscope polarisant, on peut constater que ce produit est un monocristal de rutile de bonne qualité dans lequel on ne détecte aucune contrainte, aucune bulle, ni aucune composition de grain secondaire. Lorsqu'on a effectué les mêmes opérations que celles indiquées ci-dessus, en utilisant des cristaux de semence dont on plaçait les angles recpectivement à 45 et à 90 par rapport à la direction de croissance, et lorsqu'on a tenté de produire la croissance d'un cristal, on a constaté que le matériau flottant ne pouvait être retenu et coulait goutte à goutte, de sorte qu'on ne pouvait faire croître le cristal. Comme décrit ci-dessus, du fait que selon la présente invention on choisit la direction de croissance du cristal, de façon qu'elle coïncide avec l'axe l 001 l, lorsqu'on fabrique un monocristal de rutile selon le procédé à zone flottante, on peut obtenir un monocristal de rutile présentant un diamètre de 15 mm ou plus. REVENDICATIONS le) Procédé de fabrication d'un monocristal de rutile par un procédé à zone flottante, procédé caractérisé en ce qu'on choisit la direction de l'axe de croissance du cristal de façon que cette direction soit celle de l'axe l 001 l du cristal. ) Procédé de fabrication d'un monocristal de rutile selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle formé entre la direction de croissance du cristal et l'axe l 001 l est inférieur à 15 degrés.