Монокристаллов выращивание. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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.

Литература по выращиванию монокристаллов

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.