Монокристаллов выращивание - осуществляют из газовой, жидкой и твёрдой среды (см. Кристаллизация ).Выбор метода
выращивания определяется областью устойчивости вещества, наличием, типом и температурой
фазовых переходов, хим. свойствами, давлением насыщенного пара и др. Большие,
совершенные кристаллы получают, применяя "затравки" и создавая оптим.
пересыщение (переохлаждение) s на поверхности кристаллизации. Наиб. крупные
(до 1 м) кристаллы получают из расплава или раствора.
M. в. из расплава. На вращающейся затравке
переохлаждение s создаётся регулируемым теплоотводом от поверхности кристалла
и мениска прилегающего к нему расплава (метод Чохральского, рис. 1,a).
Вытягиванием через щель на поверхности расплава получают профилированные кристаллы,
напр. трубы, пластины (метод Степанова, рис. 1,б). При M. в. внутри расплава
s создаётся охлаждением, напр. проточной водой держателя затравки (метод
Киропулоса, рис. 1, в). При направленной кристаллизации контейнер с расплавом
перемещают в горизонтальном или вертикальном направлении из горячей в холодную
зону печи, при этом кристаллизацию начинают в специальным образом суженной передней
части контейнера, что обеспечивает получение монокристаллич. слитка (метод "лодочки",
рис. 1, д; метод Стокбергера - Бриджмена, рис. 1,г). В т. н. методе
гарниссажа контейнер может быть сам из кристаллизующегося материала, охлаждаемого
снаружи водой, тогда как его внутр. часть плавится токами высокой частоты; M.
в. проводится "вытягиванием на затравку" или медленным охлаждением.
В методе зонной плавки расплавленная зона передвигается от затравки через по-ликристаллич.
слиток. Зонная плавка может проводиться в контейнере или без него (рис. 1,з).
В последнем случае мениск расплава удерживается капиллярными силами, а иногда
и эл--магн. "поддержкой". Для тугоплавких веществ используют плавление
порошка, сыплющегося в горячую плазму, с оседанием получающихся капель расплава
на затравку (метод Вернейля, рис. 1, e). Монокристаллы в виде волокон
толщиной 10-200 мкм получают вытягиванием через фильеру либо из капли расплава,
образующейся на стержне (в 1, 5-2
раза большей толщины) при нагревании его лазерным лучом (метод "пьедестала",
рис. 1, ж).
Скорости выращивания из расплава 0,1-1 см/ч.
Однородные кристаллы получают из расплава устойчивого хим. соединения. В присутствии
примесей для получения однородных кристаллов целесообразно использовать метод
вытягивания, обеспечив при выращивании постоянство формы границы раздела фаз.
Рис. 1. Выращивание монокристаллов из расплава:
а - метод Чохральского; б - метод
Степанова; в - метод Киропулоса;
г - метод Стокбергера - Бриджмена;
д - метод "лодочки"; е - метод Вернейля;
ж - метод "пьедестала"; з - зонная плавка
без тигля; и, к - способы зонной плавки. 1
- расплав; 2 -монокристалл; 3 - затравка; 4
- поликристалл; 5 - порошок; 6 - электрический
нагреватель; 7 - газовый нагреватель; 8 - лазерное излучение; 9 - охлаждаемый
водой держатель затравки.
Гл. усилия при M. в. из расплава направляются
на управление полем температур способом перемешивания расплава (естеств. и принудит.
конвекция), контролем атмосферы выращивания.
M. в. из раствора. Переохлаждение создаётся
снижением T, испарением растворителя (рис. 2,а) или "подпиткой"
более концентрированным раствором (рис. 2, б). В т. н. методе температурного
градиента в аппаратуре создаётся более горячая зона, где вещество растворяется
и диффузией или конвекцией переносится к растущему кристаллу (рис. 2, в,
г). Гидротермальное выращивание малорастворимых веществ проводят в автоклавах
при высоких темп-pax и давлениях. Скорость выращивания 0,1 - 1 мм/сут. Для получения
совершенных кристаллов из раствора необходимо, чтобы подвод вещества к растущей
поверхности не лимитировал скорости роста. Это достигается, напр., перемешиванием
раствора. В таких условиях возможна скорость 1 мм/ч и более (скоростное выращивание).
Важны очистка сырья, стабилизация T и s, создание
гидродинамич. течений, обеспечивающих равномерное питание граней.
Рис. 2. Выращивание монокристалла из раствора:
a - метод испарения растворителя; б
- метод "подпитки"; в,
г - метод температурного градиента. 1 - раствор; 2 - монокристалл; 3 - порошок; 4 - нагреватель.
M. в. из газовой среды осуществляется
возгонкой вещества и его конденсацией на охлаждённую затравку. Используются
также хим. реакции (при транспорте вещества к зоне роста, его разложении или
синтезе на затравке). Выращивание осуществляется либо в гер-метич. контейнере,
вдоль к-рого создаётся градиент T, либо в потоке газа. Для получения
нитевидных кристаллов на поверхность затравки наносят капли растворителя,
из к-рого кристаллизация идёт быстрее, чем из пара.
При M. в. из поликристаллического образца последний выдерживают при высокой T для перекристаллизации мелких
кристаллич. зёрен в крупные (рекристаллизация). Если вещество имеет полиморфные
модификации (см. Полиморфизм ),то монокристаллы низкотемпературной фазы
можно получить, охлаждая кристаллы в определ. температурном поле.
В виде монокристаллов выращивают множество веществ. В наиб. кол-вах производятся Si, Ge (метод Чохральского), кварц (гидротермальный метод), щё-лочно-галлоидные соединения (метод Киропулоса), корунд с разл. примесями (методы Вернейля, Чохральского и направленной кристаллизации), Y3Al5O12 с примесью Nd (методы Чохральского и направленной кристаллизации), LiNbO3, LiTaO3 (метод Чохральского), K(H5D)2PO4 (снижение T и "подпитка"), LiIO3 (испарение растворителя). Техн. алмаз в виде мелких моно-кристаллич. зёрен (до 0,2 мм) получают из графита прессованием в небольшом объёме при давлении ок. 4,4 атм и T= 1100 0C.
Л. H. Рашкович