Мочалов І
Транскрипт
1 Редакційно-видавничий відділ національного дослідницького університету інформаційних технологій, механіки та оптики, Санкт-Петербург, Кронверкський проспект, 49
2 Мочалов І.В. ВИРОЩУВАННЯ ОПТИЧНИХ КРИСТАЛІВ Конспект лекцій Частина 2 Санкт-Петербург 2012
4 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ Укаїни НАЦІОНАЛЬНИЙ ДОСЛІДНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ, МЕХАНІКИ ТА ОПТИКИ І.В. Мочалов ВИРОЩУВАННЯ ОПТИЧНИХ КРИСТАЛІВ Конспект лекцій Частина 2 Санкт-Петербург 2012
7 КАФЕДРА ОПТОІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І МАТЕРІАЛІВ 1994 р. Організовано базову кафедру СПбГУ ІТМО при Державному оптичному інституті (ГОІ) ім. С.І.Вавілова кафедра оптичного матеріалознавства. Освіта кафедри стало логічним розвитком тісних зв'язків, які протягом багатьох років існували між ГОІ та ІТМО. Зокрема, для викладання в ІТМО широко залучалися провідні співробітники ГОІ, а ІТМО був постійним джерелом, з якого ГОІ черпав нові молоді кадри. Кафедра розпочала підготовку фахівців з освітнього спрямування «Оптотехніка», спеціальність «Оптичні технології та матеріали» м. Реорганізація кафедри. На кафедрі створено три напрями: оптичне матеріалознавство, інформаційна оптотехніка, фізична оптика та спектроскопія. Кафедра перейменована на кафедру оптичного матеріалознавства та оптики (ОМіО) м. Кафедра ОМіО увійшла до складу нового факультету СПбДУ ІТМО - фотоніки та оптоінформатики м. При кафедрі створена навчально-дослідна лабораторія матеріалів та технологій фотоніки м. Кафедра стала одним із ініціаторів освітнього напряму підготовки бакалаврів та магістрів«Фотоніка та оптоінформатика». Кафедра розпочала підготовку бакалаврів та магістрів за напрямом «Фотоніка та оптоінформатика» м. Кафедра ОМіО перейменована на кафедру оптоінформаційних технологій та матеріалів (ОТіМ) м. Кафедра ОТіМ лідер в Україні з підготовки фахівців з оптичного матеріалознавства в галузі фотоніки та оптоінформатики. Кафедра веде спільні наукові дослідження із зарубіжними компаніями Corning, Samsung, PPG Inc. Перший випуск бакалаврів за напрямом «Фотоніка та оптоінформатика». Кафедра ОТіМ – учасник виконання інноваційної освітньої програми у СПбДУ ІТМО «Інноваційна система підготовки фахівців нового покоління в галузі інформаційних та оптичних технологій», що реалізується в рамках Пріоритетних Національних Проектів «Освіта». 122
9 Зміст Зміст МЕТОДИ ВИРОЩУВАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ ВИРОЩУВАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ З РАСПЛАВУ МЕТОДИ НАПРЯМЛЕНОЇ КРИСТАЛІЗАЦІЇ Метод Обреімова-Шубнікова Метод Бриджмана ний коефіцієнт розподілу Розподіл домішки при спрямованій кристалізації для випадку k 20 мм) діаметра, похило встановлені , причому нижній кінець ампули - гарячіший (Рис. 105). 113 Рис Рух газу в ампулі за допомогою конвекції (Т 2 > Т 1 ) б) Реакції перенесення в проточній системі. У проточній системі відбувається односторонній рух газового потоку, що йде в атмосферу після відкладення речовини у зоні кристалізації (Рис. 106).
27 Для отримання плівок часто застосовується метод катодного напилення. Завдяки прямолінійності молекулярного пучка він дозволяє використовувати так звані маски для отримання єдиної плівки заданої, іноді досить складної конфігурації.Методом сублімації можуть бути виражені і ниткоподібні кристали таких тугоплавких сполук, як оксид магнію та карбіду кремнію. Метод сублімації дозволяє отримувати кристали, які не забруднені сторонніми домішками. Однак, широке застосування цього методу для отримання напівпровідникових монокристалів та плівок стикається з певними труднощами, пов'язаними з необхідністю створення глибокого вакууму, що оберігає від шкідливого впливу слідів кисню. Крім того, у процесі випаровування тією чи іншою мірою порушується стехіометрія кристалів напівпровідникових сполук. 7.1 Кристалізація за участю хімічної реакції. Ця група методів застосовується для вирощування кристалів речовин, які не мали помітної пружності пари нижче температури плавлення або порушують свою стехіометрію в процесі випаровування. До неї входять методи, що базуються на хімічних транспортних реакціях у замкнутій або відкритій (проточній) системі та кристалізація із застосуванням так званих парофазних реакцій. 1. Метод хімічних транспортних реакцій. Метод заснований на використанні оборотних гетерогенних реакцій, внаслідок яких речовина переноситься із зони розчинення в зону зростання. У зоні розчинення газоподібна речовина В реагує з твердою речовиною А, що підлягає переносу, утворюючи газоподібний продукт АВ, який за допомогою дифузії, конвекції або з газовим потоком переноситься в зону кристалізації, де в результаті зміни температури рівновага реакції зміщується вліво і на затравці кристалізується виділяється з газової фази речовина А: А (t) + В (r) AB (r) При ендотермічній реакції речовина переноситься із зони з вищою температурою Т 2 в зону з нижчою температурою Т 1 : А (t) + В (r) = AB ( r) + H T 2 T 1 Стрілка вказує напрямок перенесення речовини. Приекзотермічної реакції перенесення речовини йде в зону з більш високою температурою: А(t) + В(r) = AB(r) – H T 1 T 2 Таким чином, основа методу – оборотна гетерогенна реакція. а) Кристалізація з газової фази в замкнутій реакційній посудині (запаяної ампулі) принципово схожа з вирощуванням 112
34 Рис Принципова схема методу переміщуваного розчинника Спочатку розчинення відбувається в обох поверхонь розділу, в результаті чого товщина розплавленого шару дещо збільшується. Розчинення затравочного кристала відбувається до тих пір, поки при температурі Т 1 концентрація розчину не досягне значення С 1. У більш гарячої поверхні, що має температуру Т 2, розчинення триває до тих пір, поки концентрація не досягне значення С 2. Внаслідок виникає в розплавленому шарі градієнта концентрацій речовина з полікристалічного блоку дифундує крізь шар розплаву, кристалізуючись на траві. В результаті розплавлений шар мимовільно переміщається, залишаючи за собою монокристал, що зростає. Швидкість руху зони лімітується швидкістю дифузії і тому зростає зі збільшенням температурного градієнта dt/dx та коефіцієнта дифузії Д у розплаві та зі зменшенням нахилу кривої ліквідусу dt/dc (навіть невелика зміна температури викликає суттєву зміну розчинності). Відсутність радіального температурного градієнта стабілізує пласку форму зони. У цьому випадку навіть дуже тонка (
0,1 мм) зона переміщається тільки в напрямку температурного осьового градієнта і зберігає свою плоску форму. Якщо поле температурного градієнта неоднорідне (лінії теплового потоку паралельні), то плоска зона розтікається та розривається. Для ілюстрації методу можна коротко описати вирощування монокристалів KCl (Т пл =776 С)з розчину в розплаві AgCl (Тпл =455 С). Температура евтектики у системі KCl - AgCl становить
300 С, що дозволяє вирощувати монокристали KCl при температурах майже вдвічі менших за температуру плавлення. Затравки різних орієнтацій викалювалися з монокристалів KCl. Полікристалічний блок, що за щільністю майже не поступався монокристалу, отримали пресуванням порошку KCl під тиском кг/см 2 . AgCl наносили тонким (0,005-0,1 г/см 2 ) шаром на 109
35 кристалізується. Інший спосіб запобігти входження в зростаючий кристал сторонніх домішок полягає у використанні розчинників, що містять ті ж катіони або аніони, що і речовина, що кристалізується. Так, для розчинення шееліту CaWO 4 можна використовувати будь-яку сполуку кальцію (наприклад, CaCl 2 ) або сіль вольфрамової кислоти (наприклад, NaWO 4 ). Разом з тим, можна помітити, що іноді виявляється бажаним вводити домішки, що легують, в кристал, що росте з розчину в розплаві. Наприклад, кристали корунду, можуть бути леговані (і до того ж дуже рівномірно) - хромом. 4. Розплав, що утворюється, повинен володіти мінімальною в'язкістю в робочому інтервалі температур. Це прискорює зростання кристала (V n =A/ŋ) і зменшує можливість захоплення розчинника кристалом, що росте. 5. Розчинник не повинен реагувати на матеріал тигля. Кількість домішок у розчиннику і коефіцієнт їх розподілу повинні бути настільки малі, щоб не забруднювати кристал, що росте. 6. Вирощені кристали повинні легко відокремлюватися від розчинника. Для цього розчинник – на відміну від синтезованих кристалів – повинен добре розчинятися у воді (або інших розчинниках). В іншому випадку кристали повинні бути вийняті до повного затвердіння розплаву або злитий розплав. Користуючись кристалізацією з розчину врозплав, можна здійснювати синтез і одночасно зчистку деяких речовин, що використовуються для вирощування монокристалів. Наприклад, сплавляючи CaCl 2 і KF (х4), можна отримати дуже чистий фтористий кальцій. Відбувається реакція CaCl 2 + 2KF CaF 2 + 2KCl в результаті якої в розплаві виростають дрібні кубооктаедри CaF 2. Хлористий калій і надлишок хлористого кальцію видаляють, промиваючи застиглий розплав дистильованою водою; аналогічним чином можна отримати дуже чисті BaF 2 і SrF 2. Своєрідним варіантом вирощування кристалів з розчину в розплаві є так звана зонна плавка з температурним градієнтом (метод розчинника, що переміщається). У цьому випадку між монокристалічною затравкою і спресованим полікристалічним порошком тієї ж речовини поміщають тонкий шар розчинника А. По осі листкового зразка створюють температурний градієнт з таким розрахунком, щоб температура шару речовини А була достатньо високою для його плавлення, а максимальна температура зразка не перевищувала температуру плавлення речовини (Рис. 101). 108