Електронні Тлумачні Словники
МОНОКРИСТАЛІВ ВИРОЩУВАННЯ, проводять разл. методами, що забезпечують отримання індивідуальних кристалів заданого розміру, форми та дефектності. При М. в. заздалегідь отримані дрібні кристали (затравку) поміщають у пересище. середовище (пар, розчин, розплав, тверде в-во) і витримують там до укрупнення затравки. Пересичення і т-ру середовища підтримують такими, щоб затравка зростала зі швидкістю 10 -7 - 10 -1 мм/с без спонтанного утворення центрів кристалізації зі збереженням морфологіч. стійкості (див. Кристалізація ). Монокристалічність виросли кристалів перевіряють методом рентгеноструктурного аналізу. Іноді як затравка використовують кристали, що утворилися в пересище. середовищі на початку витримки (самозатравка). З пари проводять М. в. в-в, летких або утворюють леткі соед. при т-рі кристалізації, і навіть продуктів їх взаємод. чи терміч. розкладання, з р-ну - добре розчинних в-в і продуктів їх взаємод., з розплаву - конгруентно плавляться в-в, з твердої фази-тугоплавких і корозійно-активних в-в.
Вирощування з пари. Початковий полікристалліч. або аморфне поміщають в джерело пари (живильник) і нагрівають до випаровування. Пари в-ва з джерела дифундують або переносяться з потоком газу-носія в зону, де знаходиться затравка, охолоджена щодо джерела (метод у б л і м а ц і і). Як джерело використовують також в-ва, при розкладанні яких брало на затравці утворюється кристалізується в-во. Затравку при цьому нагрівають до т-ри. при к-рой розкладання вихідного в-ва відбувається з достатньою швидкістю (методанаркела і деБура). Іноді в пару вводять реагенти, які взаємод. на пов-сті затравки з утворенням кристалізується в-ва (метод х і м. к р і с т а л і з а ц і, див. Хімічне осадження з газової фази). Якщо в-во є нелетким, але утворює леткі термічно нестійкі з'єдн. з к.-л. іншим в-вом (транспортуючим реагентом), то М. в. проводять методом х і м. т р а н з по р т а. При цьому джерело і затравку поміщають у пари реагенту, що транспортує, а затравку нагрівають щодо джерела; в результаті в джерелі утворюється летке соед., яке переноситься до затравки, де розкладається з регенерацією транспортуючого реагенту (див. Хімічні транспортні реакції ). Монокристал-лич. плівки (напр., Ge) отримують конденсацією мол. пучків на пов-сті затравки (метод ш і н с к о г о).
Ниткоподібні кристали ("вуси") вирощують т. зв. ПЖК-метод. При цьому на пов-сть затравочного кристала перед його контактом з парою (П) наносять краплі рідини (Ж), добре розчиняє кристалізується в-во і не розтікається по кристалу (К). Кожна крапля поглинає в-во з пари, стає пересиченою і забезпечує зростання тієї частини кристала, яка змочена нею; якщо зростання з краплі йде швидше, ніж з пари, то під краплею виростає ниткоподібний кристал, переріз якого близько до діаметра краплі. ПЖК-методом отримують, напр., кристали Si, Ge (р-ритель-розплав Аu) і SiC (р-ритель-розплав Аl) розміром 1 х 200 мкм; методом хім. транспорту-з'єдн. типу A III B V розміром до 5 см (транспортуючі реагенти-I 2 , Сl 2 , леткі хлориди); методом хім. кристалізації-SiC і TiBr 2 розміром до 0,5 см з малим колом дефектів; методом ван Аркела та де Бура – кристали особливо чистих тугоплавких металів (Cd, Zn, Co); методом десублімації – металів (W, Та, Nb), неорг. солей (LiF, MgF 2 , СуСl 2 ) та орг. в-в (антрацена та уротропіну) різного розміру.
Вирощування із розплаву. Контейнер з розплавом і затравкою охолоджують так, щоб затравка завжди була холоднішою.розплаву, але переохолодження її пов-сти було невелика і затравка росла без дендритообразования чи появи " паразитних " кристалів. Цього досягають різними способами: змінюючи т-ру нагрівача (метод С т р о н-г а- Ш т е б а р а), переміщуючи нагрівач щодо контейнера ( м е т д Б р і д ж м е н а-С т о к а р г е р а), розміщуючи затравку на нерухомому охолоджуваному стрижні (м е т о д Н а к к е н а), витягуючи затравку з розплаву у міру зростання кристала без обертання (м е т о д К і р о п о л о с а) або з обертанням (мето д Ч о х р а л с к о г о). Затравки або щілини, з якої витягують кристал, іноді надають спец. форму, вирощуючи кристали різного профілю (метод Степанова). Особливо широко поширений метод Чохральського, при якому затравку закріплюють на стрижні, що охолоджується, опускають в розплав, а потім витягують з розплаву при безперервному обертанні стрижня. Метод використовують для пром. отримання металлич. та напівпровідникових кристалів розміром 1-50 см з регулюванням їх якості (дефектності) шляхом зміни швидкостей обертання та витягування затравки. Іноді, не вводячи затравки, контейнер охолоджують локально, напр. потоком повітря, домагаючись утворення самозатравки на наб. холодному місці та її спрямованого зростання (метод О б р е і м о в а-Ш у б н і к о а).
При отриманні надчистих монокристалів затравку витягують з розплавленої частини зливка кристалізується в-ва, а нерозплавлена частина злитка відіграє роль контейнера (безтурботний метал). У м е т о д е з о н н о й плавці контейнер нагрівають так, що формується вузька зона розплаву у пов-сті затравки.
У широко поширеному ме т о д е В е р н е й л я порошок кристалізується в-ва висипають з бункера на пов-сть затравки, поміщеної підполум'ям пальника чи газового розряду; проходячи через полум'я, частинки порошку плавляться і у вигляді крапель досягають пов-сті затравки, де закристалізовуються.
Методи Стронга - Штебера [Штебера] та Наккена найчастіше використовують для вирощування великогабаритних кристалів легкоплавких орг. в-в (нафталіну розміром 20-50 см, біфта-лата калію розміром 1-20 см); методи Бріджмена-Стокбаргера та Кіропулоса – кристалів неорг. солей (NaCl та КСl розміром 20-90 см); методи Чохральського та зонної плавки - кристалів металів та напівпровідників (Ge, Si, GdAs, ZnAs розміром 1-50 см); метод Степанова-металіч. кристалів складної форми (труб з Аl та лопаток турбін розміром до 1 м); метод Вернейля - тугоплавких оксидів та солей, легованих домішками (корунду та рубіну у вигляді стрижнів завдовжки до 3 м).
Вирощування із рідкого розчину. Методи застосовують для в-в, добре р-римих при т-рі вирощування. Затравку закріплюють на нерухомому або обертовому кристалі-лоносці і поміщають в насич. розчин, після чого розчин охолоджують, випаровують розчинник або додають висолюючий агент (див. Висалювання ). Іноді розчин підживлюють в-вом, що кристалізується, для чого організують циркуляцію розчину між нагрітою зоною розчинення, де знаходяться кристали, що підживлюють, і холодною зоною росту, де розташована затравка (метемпература). р н о г о п е р е п а д а).
Якщо р-рителем є вода і р-римість кристалізується в-ва мала за звичайних умовах, але зростає зі збільшенням т-ри, то М. в. ведуть в автоклавах при т-ре до 800 К і тиску до 300 МПа ). Для малорозчинних речовин використовують метод хім. кристалізації, при якій в суспензію затравальних кристалів в розчиннику додають розчини реагентів,розведених настільки, щоб після їх змішування не відбувалося спонтанного зародка утворення. Щоб виростити великі кристали малорозчинних речовин, використовують метод зустрічної дифузії. У цьому методі затравку поміщають у трубку з гелем, а розчини реагентів вводять у різні кінці трубки; реагенти повільно дифундують гелі, створюючи навколо затравки невелике стійке пересичення. Використовують також електроліз із утворенням монокристалів на електродах.
Методи охолодження водних розчинів, випаровування розчинника і температурного перепаду використовують для вирощування кристалів сегнетової солі розміром 30-80 см і КН 2 РО 4 розміром 30-60 см, що застосовуються для п'єзоелементів; методом висолювання вирощують кристали білків та нуклеїнових к-т; методом хім. кристалізації-мікрокристали Agl розміром 0,1-10 мкм для фотоемульсії; методом гідротермального синтезу - кристали кварцу та сапфіру розміром до 50 см для приладобудування та ювелірної промисловості; методом охолодження розчину в розплаві металу-кристали GaP розміром до 1 см для електролюмінесцентних датчиків; охолодження розчину в розплаві солей-іттрій-алюмінієвого гранату Y 3 Al 5 O 12 розміром до 2 см для твердотільних лазерів.
При вирощуванні із твердої фази полікристалліч. зразок нагрівають трохи нижче т-ри плавлення, викликаючи збірну рекристалізацію та укрупнення одного з кристалів (самозатравки) за рахунок поглинання ін. кристалів. У методі деформації. відпалу (часто після попереднього деформування) зразок переміщують у температурному полі, домагаючись, щоб у зразку сформувалася вузька високотемпературна зона, що рухається від самозатравлення вздовж зразка, послідовно перетворюючи його на монокристал. Якщо в-во піддається поліморфним перетвор., то ме т о д о м А н д р а де отримують монокристали низькотемпературноїмодифікації. При цьому зону, що рухається, підтримують при т-рі трохи вище т-ри перетвор., а швидкість переміщення роблять сумірною зі швидкістю перетвор.; в результаті в-во, потрапивши в зону, переходить у високотемпературну модифікацію, а вийшовши із зони, повертається до вихідної низькотемпературної модифікації, але вже монокристалліч. формі. Якщо перетвор. відбувається занадто повільно, то зразок довго витримують значно вище т-ри перетворю. ).
Методом деформації. відпали отримують, напр., кристали Мо і сплаву Ti-Mo розміром до 1-3 см (розтяг на 1-3%, відпал при 1300-2300 К дек. годин); методом Андраде-кристали Аl у вигляді листів та стрижнів завдовжки до 1 м (обробка при 650-950 К, швидкість переміщення 10 -2 мм/с); методом поліморфних прев.-кристали алмазу і BN розміром 0,1-0,5 см (т-ра 1600-2000 К, тиск до 8 ГПа); методом термоциклювання - a-Zr сантиметрових розмірів (обробка при 1110-1500 К протягом 10 діб).
Методи М. в. дозволяють отримувати кристали різноманітної чистоти та дефектності при швидкостях зростання до 10 -3 мм/с (з пари або розчину) і до 10 -1 мм/с (з розплаву або твердої фази). У лабораторіях вирощують монокристали понад 200 тис. в-в, а в пром-сті-понад 20 тис.
Лодіз Р., Паркер Р. Л., Зростання монокристалів, пров. з англ., М., 1974; Зростання кристалів, під ред. К. Гудмана, пров. з англ., Т. 1-2, М., 1977-80; Козлова О. Р., Зростання та морфологія кристалів, 3 видавництва, М., 1980.