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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.