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JPH0686357B2 - Lanthanum boride single crystal and its growth method - Google Patents
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JPH0686357B2 - Lanthanum boride single crystal and its growth method - Google Patents

Lanthanum boride single crystal and its growth method

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JPH0686357B2
JPH0686357B2 JP19167190A JP19167190A JPH0686357B2 JP H0686357 B2 JPH0686357 B2 JP H0686357B2 JP 19167190 A JP19167190 A JP 19167190A JP 19167190 A JP19167190 A JP 19167190A JP H0686357 B2 JPH0686357 B2 JP H0686357B2
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JP
Japan
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single crystal
boride
lanthanum boride
cerium
raw material
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JP19167190A
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茂樹 大谷
高穂 田中
芳夫 石沢
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科学技術庁無機材質研究所長
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は融液法による硼化ランタン(LaB6)系単結晶の
育成法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for growing a lanthanum boride (LaB 6 ) based single crystal by a melt method.

(従来の技術及び解決しようとする課題) 硼化ランタン単結晶は、現在、寿命の長い高輝度電子放
射材料として、走査型電子顕微鏡や電子描画装置などに
利用されている。この電子放射材料として用いる場合、
純度の高い高品質単結晶が必要である。
(Prior Art and Problems to be Solved) A lanthanum boride single crystal is currently used as a high-brightness electron emitting material having a long life in a scanning electron microscope, an electron drawing apparatus, or the like. When used as this electron emitting material,
High quality single crystals with high purity are required.

硼化ランタン単結晶の育成法としては、溶液法、気相
法、融液法などが知られているが、高純度な単結晶を育
成するには、育成温度が高い融液法が適している。
As a method for growing a lanthanum boride single crystal, a solution method, a vapor phase method, a melt method and the like are known, but a melt method with a high growth temperature is suitable for growing a high-purity single crystal. There is.

融液法としては、アークベルヌーイ法、フローティング
・ゾーン法、ペデェスタル法があるが、高品質単結晶を
育成するにはフローティング・ゾーン法が適している。
The melt method includes the Arc Bernoulli method, the floating zone method, and the pedestal method, but the floating zone method is suitable for growing high-quality single crystals.

従来、融液法による硼化ランタン単結晶の育成法におい
ては、単結晶の純度を高くするために、高純度の硼化ラ
ンタン原料が用いられてきた。しかし、この方法により
育成された単結晶中には多くの欠陥(例えば、粒界密度
で103cm/cm2)が存在するという欠点があった。このた
め、高品質な部分を選び、電子放射材として使用せざる
を得ないのが実情である。
Conventionally, in the method for growing a lanthanum boride single crystal by the melt method, a high-purity lanthanum boride raw material has been used in order to increase the purity of the single crystal. However, there is a defect that many defects (eg, 10 3 cm / cm 2 in grain boundary density) are present in the single crystal grown by this method. Therefore, in reality, it is unavoidable to select a high quality portion and use it as an electron emitting material.

本発明は、上記従来技術の欠点を解消して、欠陥のない
良質な硼化ランタン単結晶を提供することを目的とする
ものである。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art and to provide a good quality lanthanum boride single crystal having no defects.

(課題を解決するための手段) 前記課題を解決するため、本発明者らは、従来の融液法
において高純度の硼化ランタン原料を用いても単結晶中
に多くの欠陥が存在することに鑑みて、原料として、硼
化ランタン以外の材料を含有させることについて試み
た。その結果、硼化ランタンに硼化セリウムを含有させ
た原料を使用したところ、単結晶中の粒界が減少するこ
とを見い出した。特に、直径1cmの単結晶を育成する場
合、30モル%以上の硼化セリウムを含有させると、全く
粒界を含まない完全性の高い単結晶を育成できることを
知見し、ここに本発明をなしたものである。
(Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the present inventors have found that many defects exist in a single crystal even when a high-purity lanthanum boride raw material is used in a conventional melt method. In view of the above, an attempt was made to incorporate a material other than lanthanum boride as a raw material. As a result, it was found that when a raw material containing lanthanum boride and cerium boride was used, the grain boundaries in the single crystal were reduced. In particular, in the case of growing a single crystal having a diameter of 1 cm, it was found that by containing 30 mol% or more of cerium boride, it is possible to grow a highly complete single crystal containing no grain boundary, and the present invention is here It was done.

すなわち、本発明は、化学式(La1-XCeX)B6(但し、0.
01≦x≦0.50)を有することを特徴とする硼化ランタン
系単結晶を要旨とするものである。
That is, the present invention, the chemical formula (La 1-X Ce X ) B 6 (however, 0.
The subject is a lanthanum boride-based single crystal characterized by having 01 ≦ x ≦ 0.50).

また、その製造法は、硼化ランタン系単結晶を融液法に
よって育成するに際し、原料として、1〜50モル%の硼
化セリウム、又はセリウムの酸化物、水酸化物、塩化物
などを硼化セリウム換算で1〜50モル%含有する硼化ラ
ンタンを使用することを特徴とするものである。
In addition, the production method is such that, when growing a lanthanum boride-based single crystal by a melt method, 1 to 50 mol% of cerium boride or a cerium oxide, hydroxide, or chloride is used as a raw material. A lanthanum boride content of 1 to 50 mol% in terms of cerium chloride is used.

以下に本発明を更に詳述する。The present invention will be described in more detail below.

(作用) 本発明において用いられる単結晶育成法は融液法であ
り、前述の如く種々の方法が可能であるが、フローティ
ング・ゾーン法(以下、「FZ法」という)は、大型で高
品位の単結晶が育成し易いので、好ましい。
(Operation) The single crystal growing method used in the present invention is a melt method, and various methods are possible as described above, but the floating zone method (hereinafter, referred to as “FZ method”) is a large-scale and high-quality method. Is preferable because it easily grows.

第1図はFZ法育成炉の概念図であり、1は上軸、1′は
下軸、2、2′はホルダー、3は焼結棒(原料)、3′
は初期融帯保持用焼結棒又は種結晶、4は育成した単結
晶、5は融帯、6は高周波ワークコイルである。
Fig. 1 is a conceptual diagram of the FZ growth reactor, where 1 is an upper shaft, 1'is a lower shaft, 2'is a holder, 3 is a sintered rod (raw material), 3 '.
Is a sintered rod or seed crystal for holding the initial melt zone, 4 is a grown single crystal, 5 is a melt zone, and 6 is a high-frequency work coil.

原料としては、硼化ランタン粉末に硼化セリウム粉末を
1〜50モル%混合し、これに結合剤として少量の樟脳を
加えて、ラバープレス(2000kg/cm2)により圧粉棒を作
製する。この圧粉棒を真空中又は不活性ガス雰囲気中で
千数百℃に加熱して、原料焼結棒を作製する。
As a raw material, 1 to 50 mol% of cerium boride powder is mixed with lanthanum boride powder, and a small amount of camphor as a binder is added to the mixture, and a powder pressing rod is manufactured by a rubber press (2000 kg / cm 2 ). This powder compact rod is heated to a few thousand and several hundred degrees Celsius in a vacuum or in an inert gas atmosphere to prepare a raw material sintered rod.

なお、原料焼結棒としては、上記の如く硼化セリウム粉
末を使用する以外に、セリウムの酸化物、水酸化物、塩
化物などと硼素を、硼化セリウム換算で1〜50モル%含
有させることも可能である。
As the raw material sintered rod, in addition to using cerium boride powder as described above, cerium oxide, hydroxide, chloride, etc. and boron are contained in an amount of 1 to 50 mol% in terms of cerium boride. It is also possible.

得られた原料焼結棒3の上軸1にホルダー2を介してセ
ットし、下軸1′には、初期融帯保持用の焼結棒又は種
結晶3′をホルダー2′を介してセットする。次に原料
焼結棒3の下端を高周波ワークコイル6からの誘導加熱
により溶融させ、融帯5を形成させ、上軸1と下軸1′
をゆっくり下方に移動させて単結晶4を育成する。
The obtained raw material sintered rod 3 is set on the upper shaft 1 via the holder 2, and the lower rod 1'is set on the lower rod 1'with a sintered rod or seed crystal 3'for holding the initial melt zone via the holder 2 '. To do. Next, the lower end of the raw material sintering rod 3 is melted by induction heating from the high frequency work coil 6 to form a fusion zone 5, and the upper shaft 1 and the lower shaft 1 '
Is slowly moved downward to grow the single crystal 4.

その時の育成速度は0.2〜5cm/h、好ましくは0.2〜2cm/h
である。雰囲気は数気圧のアルゴン又はヘリウムなどの
不活性ガスが用いられる。これは、蒸発の抑制と高周波
ワークコイル部分で発生する放電を防止するためであ
る。
The growth rate at that time is 0.2 to 5 cm / h, preferably 0.2 to 2 cm / h.
Is. As the atmosphere, an inert gas such as argon or helium having a pressure of several atmospheres is used. This is to suppress evaporation and to prevent discharge generated in the high frequency work coil portion.

かくして育成される単結晶は、化学式(La1-XCeX)B
6(但し、0.01≦x≦0.50)を有する硼化ランタン系単
結晶である。ここで、xが0.01未満では硼化セリウムを
添加した効果が殆ど見られない。すなわち、単結晶中の
粒界密度の減少が実験誤差の中に含まれてしまう程度で
ある。一方、セリウムを多量に添加すると、単結晶が脆
くなる。すなわち、x>0.50の組成領域では、単結晶中
にクラックが発生することがあり、実用上好ましくな
い。
The single crystal thus grown has the chemical formula (La 1-X Ce X ) B
It is a lanthanum boride single crystal having 6 (provided that 0.01 ≦ x ≦ 0.50). Here, when x is less than 0.01, the effect of adding cerium boride is hardly seen. That is, the decrease in the grain boundary density in the single crystal is included in the experimental error. On the other hand, when a large amount of cerium is added, the single crystal becomes brittle. That is, in the composition region of x> 0.50, cracks may occur in the single crystal, which is not preferable in practice.

溶融法による育成法としては、上述の高周波加熱による
FZ法に限らず、赤外線集中加熱によるFZ法も可能であ
り、更には、FZ法以外に、融液より引き上げる引き上げ
法、アーク・ベルヌイ法、ペデスタル法も可能であり、
それぞれの方法に適した原料調整を行う。
As the growth method by the melting method, the above-mentioned high frequency heating is used.
The FZ method is not limited to the FZ method, and the FZ method by infrared concentrated heating is also possible.Furthermore, in addition to the FZ method, a pulling method for pulling from the melt, an arc-Bernui method, a pedestal method are also possible,
Adjust the raw materials suitable for each method.

次に本発明の実施例を示す。Next, examples of the present invention will be described.

(実施例) 硼化ランタン粉末に所定比(x=0.02、0.05、0.1、0.
2、0.3、0.4、0.5)の硼化セリウム粉末を添加し混合し
た後、結合剤として樟脳を少量加えて再び混合した。こ
の混合物を直径12mmのゴム袋に詰めて円柱状にし、これ
を2000kg/cm2のラバープレスして圧粉棒を得た。この圧
粉棒を真空中、1800℃で加熱して焼結棒を得た。
(Example) A predetermined ratio (x = 0.02, 0.05, 0.1, 0.
2, 0.3, 0.4, 0.5) cerium boride powder was added and mixed, then a small amount of camphor as a binder was added and mixed again. This mixture was packed in a rubber bag having a diameter of 12 mm to form a columnar shape, which was rubber-pressed at 2000 kg / cm 2 to obtain a dust bar. This dust bar was heated at 1800 ° C. in vacuum to obtain a sintered bar.

この焼結棒を第1図に示すFZ育成炉の上軸にホルダーを
介して固定し、下軸には(La1-XCeX)B6単結晶を固定し
た。育成炉に7気圧のアルゴンを充填した後、高周波コ
イルにより原料焼結棒を下端を溶かして初期融帯を形成
し、1cm/hで下方に移動させて、<100>方位に単結晶を
育成した。
This sintered rod was fixed to the upper shaft of the FZ growth furnace shown in FIG. 1 via a holder, and the (La 1-X Ce X ) B 6 single crystal was fixed to the lower shaft. After filling the growth furnace with argon at 7 atm, the high-frequency coil melts the lower end of the raw material sintering rod to form an initial melt zone, and moves it downward at 1 cm / h to grow a single crystal in the <100> orientation. did.

得られた単結晶は、直径1cm、長さ7cmであった。分析の
結果、原料焼結棒と同じ組成を持つ単結晶が育成され、
蒸発による組成変化のないことが確認できた。また、育
成された単結晶中のセリウムの濃度は、始端部を除き、
全組成領域において一定となっていた。このことは、育
成後固化した融帯と結晶終端部の分析から、硼化ランタ
ンと硼化セリウムの分配係数が1に近いことが判明し、
融帯移動開始後すぐに定常状態になったためである。
The obtained single crystal had a diameter of 1 cm and a length of 7 cm. As a result of the analysis, a single crystal with the same composition as the raw material sintered rod was grown,
It was confirmed that the composition did not change due to evaporation. Further, the concentration of cerium in the grown single crystal, except for the starting end,
It was constant in all composition areas. This means that the analysis of the melted zone solidified after growth and the crystal terminal portion revealed that the distribution coefficient of lanthanum boride and cerium boride was close to 1,
This is because the steady state was reached immediately after the start of the zone transfer.

育成した単結晶の粒界密度は、結晶終端部の(100)面
を切り出し、鏡面研磨した後、エッチング(硝酸:水=
1:3の液で2〜3分)して測定した結果、第2図に示す
ように、硼化ランタンに硼化セリウムを添加してゆくと
粒界密度が減少し、30モル%以上添加すると粒界が観察
できなくなった。単結晶中に粒界が存在しない領域は、
育成する結晶の直径に依存し、細くなる程、広くなっ
た。すなわち、20モル%の硼化セリウムを添加した試料
から直径6mmの単結晶を育成した場合、粒界が全く観察
されなかった。
The grain boundary density of the grown single crystal was determined by cutting out the (100) plane at the crystal end, mirror-polishing, and then etching (nitric acid: water =
As a result of measurement with a solution of 1: 3) for 2 to 3 minutes, as shown in Fig. 2, when cerium boride is added to lanthanum boride, the grain boundary density decreases, and 30 mol% or more is added. Then the grain boundaries could not be observed. The region where no grain boundary exists in the single crystal is
It became wider as it became thinner, depending on the diameter of the grown crystal. That is, when a single crystal with a diameter of 6 mm was grown from a sample to which 20 mol% of cerium boride was added, no grain boundary was observed.

(発明の効果) 以上詳述したとおり、本発明によれば、欠陥のない良質
な硼化ランタン単結晶を提供することができ、敢えて高
純度硼化ランタン原料を使用しなくともよいので経済的
である。
(Effects of the Invention) As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a good quality lanthanum boride single crystal free of defects, and it is economical because a high-purity lanthanum boride raw material need not be used. Is.

【図面の簡単な説明】 第1図はFZ育成炉の一例を説明する図、 第2図は実施例で得られた単結晶の粒界密度と硼化セリ
ウム添加量の関係を示す図である。 1……上軸、1′……下軸、2、2′……ホルダー、3
……焼結棒(原料)、3′……初期融帯保持用焼結棒又
は種結晶、4……育成した単結晶、5……融帯、6……
高周波ワークコイル。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining an example of an FZ growth furnace, and FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the grain boundary density of the single crystal obtained in the example and the amount of cerium boride added. . 1 ... Upper shaft, 1 '... Lower shaft, 2, 2' ... Holder, 3
...... Sintered rod (raw material), 3 '... Sintered rod or seed crystal for holding the initial zone, 4 ... Grown single crystal, 5 ... Zone, 6 ...
High frequency work coil.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】化学式(La1-XCeX)B6(但し、0.01≦x≦
0.50)を有することを特徴とする硼化ランタン系単結
晶。
1. A chemical formula (La 1-X Ce X ) B 6 (where 0.01 ≦ x ≦
0.50) lanthanum boride-based single crystal.
【請求項2】硼化ランタン系単結晶を融液法によって育
成するに際し、原料として、1〜50モル%の硼化セリウ
ムを含有する硼化ランタンを使用することを特徴とする
硼化ランタン系単結晶の育成法。
2. A lanthanum boride system characterized by using lanthanum boride containing 1 to 50 mol% of cerium boride as a raw material when growing a lanthanum boride single crystal by a melt method. Single crystal growth method.
【請求項3】硼化セリウムに代えて、セリウムの酸化
物、水酸化物又は塩化物と、硼素を所定比に混合したも
のを用いる請求項2に記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein, instead of cerium boride, a mixture of cerium oxide, hydroxide or chloride and boron in a predetermined ratio is used.
JP19167190A 1990-07-19 1990-07-19 Lanthanum boride single crystal and its growth method Expired - Lifetime JPH0686357B2 (en)

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