OBTENCION DE MONOCR1STALES DE BISMUTO

H. Riveros y G. Torres V.

Inst i tu to de Fís ica, Univers idad Nacional de México

(Recib ido: junio 16, 1967)

RESUMEN

Se describe un horno diseriado y construido para el crecimiento de cristales

de punto de fusión inferior a 500 °C. E I calentamiento se l leva a rabo Por pérdidas

de joule en una resistencia y se ut i l iza el método de enfriamiento zonal para el

crecimiento.

En la obtención de los cristales de Bismuto se utiliza un gradiente de tem -

pera tura de 25 ° C/cm y una ve loc idad máxima de 0 .6 mm/min . Se probó que las

piezas obtenidas eran monocristalinas mediante el ataque químico preferencial y

rayos X.

ABSTRACT

A »orlare for growing single crystals u'ith a me lting point be low 500 °C is

descr ibed, joule e f fec t heat ing i s used for tbe me l t and grou ' th i s brought about

vol. XVI, 2 REVISTA MEXICANA DE FISICA 1967

115

b y z o n e c o o l i n g .

For growing b i smuth c rys ta l s a t empera ture grad ien t o ! 25 °C/cm i s needed:

t h e m a x i m u m g r o w t h r a l e i s 0 . 6 m m / m i n . 7 ' h e p i e r e s o b t a i n e d m e r e t e s t e d f o r

monocrys fa l l in i t y by E ire feren t ia l chemira l e tch ing and x-ray s tud ies .

I N T R O D U C C I O N

P a r a e l e s t u d i o d e l a s p r o p i e d a d e s d e l o s s á b a l o s c r i s t a l i n o s , e s

n e c e s a r i o u t i l i z a r c r i s t a l e s d e t a m a ñ o , p u r e z a y c a l i d a d c o n t r o l a d o s .

U s u a l m e n t e l o s c r i s t a l e s n a t u r a l e s n o t i e n e n l a s p r o p i e d a d e s r e q u e r i d o s l o

c u a l h a s i d o c a u s a d e l d e s a r r o l l o d e d i v e r s o s m é t o d o s p a r a o b t e n e r l o s o

c r e c e r l o s a r t i f i c i a l m e n t e .

E n n u e s t r o c a s o p a r t i c u l a r n o s i n t e r e s a b a e s t u d i a r l a s p r o p i e d a d e s d e

c r i s t a l e s d e b i s m u t o , l o q u e n o s l l e v o a l d i s e ñ o y c o n s t r u c c i ó n d e u n h o r n o

p a r a c r e c i m i e n t o d e c r i s t a l e s d e s u b s t a n c i a s c o n p u n t o d e f u s i ó n i n f e r i o r a

5 0 0 ` C , e n e l q u e s e u t i l i z a p a r a e l c r e c i m i e n t o e l m é t o d o d e e n f r i a m i e n t o

z o n a l ' . E n l a c o n s t r u c c i ó n d e l h o r n o s e u t i l i z a r o n m a t e r i a l e s d e f á c i l

o b t e n c i ó n y b a j o c o s t o .

P R O C E D I M I E N T O E X P E R I M E N T A L

E l b i s m u t o q u í m i c a m e n t e p u r o s e c o l o c a e n u n t u b o d e e n s a y e d e

v i d r i o P y r e x a l que s e l e h a c e v a c í o c o n u n a b o m b a m e c á n i c a ( 1 0 3 m m d e

H g ) , y s e s e l l a p a r a e v i t a r q u e e i b i s m u t o c a l i e n t e s e c o m b i n e c o n e l

o x í g e n o d e l a i r e . S e c o l o c a e l t u b o d e e n s a y e c o n s u c o n t e n i d o e n l a r e g i ó n

c a l i e n t e d e l h o r n o q u e s e e n c u e n t r a a u n a t e m p e r a t u r a m a y o r q u e l a d e

f u s i ó n d e l m a t e r i a l . U n a v e z e s t a b i l i z a d o l a t e m p e r a t u r a e n e I m a t e r i a l , s e

b a j a e l t u b o d e e n s a y e a u n a v e l o c i d a d d e 0 .6 mm/min . E l g rad iente de

tempera tura y l a ve loc idad de descenso adecuados para o b t e n e r m o n o c r i s t a l e s

f u e r o n d e t e r m i n a d a s e x p e r i m e n t a l m e n t e .

P r e v i a m e n t e s e l e h a c e u n a p u n t a a l t u b o d e e n s a y e d e m o d o q u e s o l o

u n p e q u e ñ o v o l u m e n d e l l í q u i d o p a s e p r i m e r o a l a r e g i ó n f r í a , l o q u e a u m e n t a

116

l a p r o b a b i l i d a d d e f o r m a c i ó n d e u n s o l o c e n t r o d e n u c l e a c i ó n q u e s i r v a c o m o

* s e m i l l a "

P a r a l a s o l i d i f i c a c i ó n e n u n s o l o c r i s t a l d e l r e s + J d e l m a t e r i a l f u n d i d o . E n l a s

p r u e b a s e n l a s q u e s e o m i t i ó d i c h o p u n t o , n o s e o b t u v i e r o n m o n o c r i s t a l e s .

E i d i spos i t i vo de descenso de l tubo de ensaye , F ig . 1 , es tá fo rmado por un

res o r t e , d e l c u a l e s t á s u s p e n d i d o u n d e p ó s i t o " A " p a r a a g u a d e l q u e c u e l g a

l a p r o b e t a . S i e l d e p ó s i t o s e H e n o c o n u n f l u j o d e a g u a u n i f o r m e s e o b t i e n e

u n a v e l o c i d a d c o n s t a n t e d e b a l a d a , y a q u e e l i n c r e m e n t o e n e l p e s o e s

c o n s t a n t e , s i e m p r e y c u a n d o s e t r a b a j e d e n t r o d e l o s l í m i t e s e l á s t i c o s d e l

r e s o r t e .

E l h o r n o , c o n s i s t e d e u n t u b o d e c o b r e d e 2 . 2 c m d e d i á m e t r o i n t e r i o r y

1 0 c m d e l a r g o r o d e a d o p o r u n e l e m e n t o c o m ú n d e p a r r i l l a d e 360 w a t t s d e

d i s i p a c i ó n . R o d e a n d o a é s t e s e c o l o c a o t r o t u b o d e a s b e s t o d e 1 2 c m d e

d i á m e t r o e x t e r i o r y 1 . 7 c m d e g r u e s o d e l a p a r e d c o m o a i s l a m i e n t o t é r m i c o .

F i n a l m e n t e u n t u b o e x t e r i o r m e t á l i c o d e 1 5 c m d e d i á m e t r o e x t e r n o y 1 8 c m

d e l a r g o . E n l a p a r t e i n f e r i o r d e l t u b o d e c o b r e s e p u s o u n d i s c o d e a s b e s t o ,

c o n u n a p e r f o r a c i ó n c e n t r a l , p a r a s e p a r a r l a r e g i ó n c a l i e n t e d e l a f r í a ; a

c o n t i n u a c i ó n d e l a p e r f o r a c i ó n s e a g r e g ó u n t u b o d e a l u m i n i o d e 2 . 5 c m d e

d i á m e t r o i n t e r i o r y 8 c m d e l a r g o , a l r e d e d o r d e l c u a l s e e n r o l l ó u n

s e r p e n t í n d e cobre en e s t r e c h o c o n t a c t o c o n e l a l u m i n i o . P o r d i c h o s e r p e n t í n

c i r c u l a e l a g u a p a r a l a r e f r i g e r a c i ó n d e l a r e g i ó n f r í a .

S e m i d i ó l a d i s t r i b u c i ó n d e t e m p e r a t u r a a l o l a r g o d e l t u b o c e n t r a l p o r

m e d i o d e u n t e r m o p a r d e c r o m e l - a l u m e l . E s t a s m e d i d a s s e r e p i t i e r o n

a p l i c a n d o d i f e r e n t e s c o r r i e n t e s a l e l e m e nt o c a l e f a c t o r p o r m e d i o d e u n a u t o

t r a n s f o r m a d o r v a r i a b l e . L o s r e s u l t a d o s s e m u e s t r a n e n l a F i g . 3 . E n t o d a s

l a s m e d i d a s s e u t i l i z ó u n f l u j o d e a g u a d e 70 7 10 cm' m i n e n e l e n f r i a d o r .

R E S U L T A D O S

S e e n c o n t r ó q u e b a l a n d o e l t u b o d e e n s a y e a u n a v e l o c i d a d

m á x i m a d e 0 .6 mmimin se ob t ienen monocr i s ta l es de 20 mm de la rgo por

13 mm de d iámet ro ,

F i g . 2 . L a t e m p e r a t u r a ó p t i m a e n l a r e g i ó n c a l i e n t e f u é d e 3 7 0 nC ; s i s e

c a l e n t a b a m á s , e l c r i s t a l s a l í a p e g a d o a l P y r e x d e l t u b o d e e n s a y e y s e

d i f i c u l t a b a s u e x t r a c c i ó n . D e l a f i g u r a 3 s e v e que e l g r a d i e n t e d e

t e m p e r a t u r a u t i l i z a d o e n e l c r e c i m i e n t o f u é d e 2 5 °C , c m ( m e d i d o e n e l p u n t o

d e f u s i ó n ) . P a r a d i s m i n u i r l a c a n t i d a d d e i m p u r e z a s , f u é n e c e s a r i o f u n d i r 117

v a r i a s v e c e s , e l i m i n a r t o d a s l a s s u p e r f i c i e s y volver a i n t e n t a r e l

c r e c i m i e n t o , c o n l o q u e s e l o g r a u n a p u r i f i c a c i ó n p o r segrega-

c ion 2 , con la cual se obt iene la pureza requer ida para la obtenc ión de

monocr is ta les.

Para probar que la p ieza obtenida era monocr is ta l ina, se ut i l i zó e l

ataque qu ím i co p re fe renc i a l . En e s te método se man t i ene l a p i e za en

ác i do n í t r i co d i l u i do al 30%, por espacio de 10 minutos al cabo de los cuales

se saca y se examina v i sua lmente . S i es un monoc r i s ta I l a super f i c i e

aparecerá to ta lmente l i sa , en e l caso con t ra r i o l a super f i c i e p resenta rá u n

aspec to mapeado , F ig . 4 . Es to se debe a que l a d i so luc ión de l a super f i c i e

depende de l a d i ve rsa o r i en tac ión que t i enen los granos que forman la

p ieza ana l i zada.

Para comprobar e l resultado, la p ieza se anal izo con un aparato de

rayos X G e n e r a l E l e c t r i c M o d . X R D . L o s d i a g r a m a s d e d i f r a c c i o n d e r a y o s

X o b t e n i d o s , nos permi t ie ron asegurar que se obtuv ieron monocr is ta les

pues estaban compues t o s d e p u n t o s y n o d e c í r c u l o s q u e s o n p r o p i o s d e

l o s p o l i c r i s t a l e s . U t i l i z a n d o es tos d iagramas pud imos también encont ra r

la o r ientac ión de l c r i s ta l . E l método usado para este f in fué e l de Laue 3 .

D icho método se basa en e l hecho de que la pos ic ión de un c ie r to con junto

de puntos de l d iagrama de d i f racc ión , depende de la o r ientac ión de l c r i s ta l .

Por ú l t imo, de los mismos d iagramas de d i f racc ión se puede obtener

in formación acerca de lo mucho o poco esforzado que se encuentre e l cr is ta l ,

con so lo observar e l grado de def in ic ión de los puntos de d i f racc

Se encontró que los c r i s ta les que permanec ieron en e l horno menos

de una hora , después de haber terminado e l c rec imiento , presentaban gran

cant idad de es - f uerz os.

AGRADEC IM IENTO

Queremos hacer patente nue st ro agradec imiento a l Dr . A lonso

Fernández por la a tenc ión pres tada a és te t raba jo y por sus va l iosos

conse jos técn icos .

118

REFERENCIAS

1. P.W. Br idgman Proc. Amer. Acad: 60, 305, 1 925.

2. Bruce Cha lmers, Phys ica I Meta Ilurgy, Cap. 6, pág. 255 (1959) •

3 . B.D. Cullity, Elements of X-Ray Difraction, Cap. 8, pág. 215 (1959).

119

Fig. 1

Fig. 1.— Diagrama esquemático del horno de crecimiento.

120

Aluminio

/ / / /// / /// / / / /

Tubos de Cobre

__________Cotefactor

Asbesto

o

Serpentin

de Cobre

Fig. 2. - Monocrista I de bismuto atacado químicamente.

F ig. 4.- Pol icrista I de bismuto atacado químicamente.

121

ct.E ict

Ot\.I 1 o-.

oCM

1

. . 1 § 1 ■ ■ ■ • 1 i

c - ) O O O Oo O O o 01_ • nr rn cm

O

Fig. 3.— Temperatura a lo largo del horno para diferentes

corrientes en el ca lefactor.

122

O rr)

u,

O