Хімічний каталог МОНОКРИСТАЛІВ ВИРОЩУВАННЯ
МОНОКРИСТАЛІВ ВИРОЩУВАННЯ, проводять різні методи, що забезпечують отримання індивідуальних кристалів заданого розміру, форми та дефектності. При монокристалів ВИРОЩУВАННЯ ст. заздалегідь отримані дрібні кристали (затравку) поміщають у пересище. середовище (пар, розчин, розплав, тверда речовина) і витримують там до укрупнення затравки. Пересичення і температуру 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 вирослих кристалів перевіряють методом рентгеноструктурованого аналізу. Іноді як затравка використовують кристали, що утворилися в пересище. середовищі на початку витримки (самозатравка). З пари проводять монокристалів вирощування в. речовин, що летять або утворюють летючі сполуки при температурі кристалізації, а також продуктів їх взаємодії або термодинамічно розкладання, з розчину - добре розчинних речовин і продуктів їх взаємодія, з розплаву - конгруентно плавляться речовин, з твердої фази-тугоплавких і корозійноактивних речовин.
Вирощування з пари.Вихідне полікристалліч. або аморфну речовину поміщають у джерело пари (живильник) і нагрівають до випаровування. Пари речовини 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 речовини, при розкладанні яких на затравці утворюється речовина, що кристалізується. Затравку при цьому нагрівають до температури. при якій розкладання вихідної речовини відбувається з достатньою швидкістю (методанаркела і деБура). Іноді в пару вводятьреагенти, які взаємодія на поверхні затравки з утворенням кристалізується речовини (метод х і м. к р і с т а л і з а ц і, див. Хімічне осадження з газової фази). Якщо речовина є нелетючою, але утворює леткі термічно нестійкі сполуки к.-л. іншою речовиною (транспортуючим реагентом), то монокристалів вирощування ст. 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 летюча сполука, яка переноситься до затравки, де розкладається з регенерацією транспортуючого реагенту (див. Хімічні транспортні реакції). Монокристал-лич. плівки (наприклад, Ge) отримують конденсацією мол. пучків на поверхні затравки (метод ш і н с к о г о).
Ниткоподібні кристали ("вуси") вирощують так званої ПЖК-м е т о д о м. При цьому на поверхню затравочного кристала перед його контактом з парою (П) наносять краплі рідини (Ж), добре розчиняє речовина, що кристалізується і не розтікається по кристалу (К). Кожна крапля поглинає речовину з пари, стає пересиченою і забезпечує ріст частини кристала, яка змочена нею; якщо зростання з краплі йде швидше, ніж із пари, то під краплею виростає ниткоподібний кристал, переріз якого близький до діаметра краплі. ПЖК-методом отримують, наприклад, кристали Si, Ge (розчинник-розплав Аu) та SiC (розчинник-розплав Аl) розміром 1 х 200 мкм; методом хімічного транспорту-з'єднання типу A III B V розміром до 5 см (транспортуючі реагенти-I 2 , Сl 2 , леткі хлориди); методом хімічної кристалізації-SiC та TiBr 2 розміром до 0,5 см з малою кількістю дефектів; методом ван Аркела та де Бура - кристали особливо чистихтугоплавких металів (Cd, Zn, Co); методом десублімації - металів (W, Та, Nb), неорганічних солей (LiF, MgF 2 , СуСl 2 ) та органічних речовин (антрацену та уротропіну) різного розміру.
Вирощування з розплаву.Контейнер з розплавом і затравкою охолоджують так, щоб затравка завжди була холоднішою за розплав, але переохолодження на її поверхні було невелике і затравка росла без дендритоутворення або появи "паразитних" кристалів. Цього досягають різними способами: змінюючи температуру нагрівача (метод С т р о н-г а- Ш т е б а р а), переміщуючи нагрівач щодо контейнера ( м е т о д Б р і д ж м е н а-С т о к а р г е р а), розміщуючи затравку на нерухомому стрижні, що охолоджується (мет е д Н а к к е н а), витягуючи затравку з розплаву в міру зростання кристала без обертання (мет о д К і р о п у л о с а) або з обертанням (мет од 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. і напівпровідникових кристалів розміром 1-50 см з регулюванням їх якості (дефектності) шляхом зміни швидкостей обертання та витягування затравки. Іноді, не вводячи затравки, контейнер локально охолоджують, наприклад потоком повітря, домагаючись утворення самозатравки на найбільш холодному місці і її спрямованого зростання ).
При отриманні надчистих монокристалів затравку витягують з розплавленої частини зливка речовини, що кристалізується, а нерозплавленачастина зливка відіграє роль контейнера (безтурботний метод). У м е т о д е з о н н о й плавці контейнер нагрівають так, що формується вузька зона розплаву біля поверхні затравки.
У широко поширеному ме т о д е В е р н е й л я порошок речовини, що кристалізується, висипають з бункера на поверхню затравки, поміщеної під полум'ям пальника або газового розряду; проходячи через полум'я, частинки порошку плавляться і у вигляді крапель досягають поверхні затравки, де закристалізовуються.
Методи Стронгу - Штебера та Наккена найчастіше використовують для вирощування великогабаритних кристалів легкоплавких органічних речовин (нафталіну розміром 20-50 см, біфта-лату калію розміром 1-20 см); методи Бріджмена-Стокбаргера та Кіропулоса – кристалів неорганічних 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 з рідкого розчину.Методи застосовують для речовин, добре розчинних при температурі вирощування. Затравку закріплюють на нерухомому або обертовому кристалі-лоносці і поміщають в насич. розчин, після чого розчин охолоджують, випаровують розчинник або додають агент, що висолює (див. Висалювання). Іноді розчин підживлюють речовиною, що кристалізується, для чого організують циркуляцію розчину між нагрітою зоною розчинення, де знаходяться підживлювальні кристали, і холодною зоною росту, де розташована затравка. е р е п а д а).
Якщорозчинником є вода і розчинність кристалізується речовини мала за звичайних умовах, але зростає зі збільшенням температури, то монокристалів вирощування ст. ведуть в автоклавах при температурі до 800 К і тиску до 300 МПа (метод і д р о термо л ь н о го с і н т е з а) (див. Гідротермальні процеси). Для малорозчинних речовин використовують метод хімічної кристалізації, при якій в суспензію кристалів затравки в розчиннику додають розчини реагентів, розбавлених настільки, щоб після їх змішування не відбувалося спонтанного зародкаутворення. 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 та 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 кислот; методом хімічної кристалізації-мікрокристали Agl розміром 0,1-10 мкм для фотоемульсій; 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 з твердої фазиполікристалліч. зразок нагріваютьтрохи нижче температури плавлення, викликаючи збірну рекристалізацію та укрупнення одного з кристалів (самозатравки) за рахунок поглинання ін кристалів. У методі деформаційного 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 речовина схильна до поліморфних перетворюються, то методом н д руді отримують монокристали низькотемпературної модифікації. При цьому зону, що рухається, підтримують при температурі трохи вище температури перетворюються, а швидкість переміщення роблять сумірною зі швидкістю перетворюються; в результаті речовина, потрапивши в зону, переходить у високотемпературну модифікацію, а вийшовши із зони, повертається до вихідної низькотемпературної модифікації, але вже монокристалліч. формі. Якщо перетворюються відбувається занадто повільно, то зразок довго витримують значно вище температури перетворюються, а іноді почергово вище і нижче цієї температури (метотермо - ц і к л і р о в а н і я).
Методом деформаційні відпали отримують, наприклад, кристали Мо і сплаву Ti-Mo розміром до 1-3 см (розтяг на 1-3%, відпал при 1300-2300 К кілька 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 перетворюються кристали алмазу і BN розміром 0,1-0,5 см (температура 1600-2000 К, тиск до 8 ГПа); методом термоциклювання - a-Zr сантиметрових розмірів (обробка при 1110-1500 К протягом 10 діб).
Методи монокристалів ВИРОЩУВАННЯ ст. дозволяють отримувати кристали різноманітної чистоти та дефектності при швидкостях зростання до 10-3 мм/с (з пари або розчину) та до 10 -1 мм/с (з розплаву або твердої фази). У лабораторіях вирощують монокристали понад 200 тисяч речовин, а у промисловості-понад 20 тисяч
Хімічна енциклопедія Том 3 > До списку статей