Контейнеры для выращивания кристаллов

Естественное желание предотвратить испарение расплава слюды привело к идее использования герметичного контейнера и, как следствие,— к аппаратурному оформлению процесса методами направленной кристаллизации в горизонтальном или в вертикаль- ном вариантах. Последним методом, т. е. различными модификациями метода Бриджмена — Стокбаргера, пользуются все исследователи, которым удавалось получить на затравку удовлетворительные по качеству пластины фторфлогопита. Это относится к исследованиям как в СССР, так и за рубежом (Япония, КНР). Публикаций, достоверно описывающих процесс выращивания кристаллов фторфлогопита на затравку, не имеется, если не считать отрывочных сведений. [c.52]

Усилению напряжений способствуют различия в коэффициентах термического расширения молибденового контейнера и кристалла, а также неравномерность его охлаждения за счет теплоотвода через контейнер и сквозь массу прозрачного для инфракрасных лучей кристалла. Неравномерность распределения температур по кристаллу вызывает неодинаковое тепловое расширение различных его участков, их упругое взаимодействие и, как следствие, возникновение в кристалле напряжений. Неравномерность температурного поля при выращивании кристаллов методом ГНК исследовалась при синтезе рубина и лейкосапфира [5]. Оказалось, что вблизи фронта кристаллизации температурный градиент в кристалле составляет 6—7 К/см, В пяти сантиметрах от фронта кристаллизации температурный градиент возрастает до 19—21 К/см и остается постоянным на протяжении 10 см. Общий перепад температур достигает 250 К. Вероятно, эта цифра действительна и для монокристаллов граната, выращиваемых методом ГНК. [c.184]

Так же как и в методе, используемом Фарбениндустри , для предотвращения зарождения большого числа мелких кристаллов необходимо отделить реагенты друг от друга. Окиси бериллия и алюминия помещают в нижнюю часть реакционного объема, а кремнезем — в Сетчатый контейнер вблизи поверхности раствора. Затравочные кристаллы подвешивают на проволоке в средней части, где они растут со скоростью 0,3 мм в день, то есть значительно быстрее, чем при выращивании кристаллов из раствора в расплаве. Максимальные скорости роста, достигающие 0,8 мм в день, отмечались, когда приготавливали очень кислый раствор. Размер выращиваемых кристал- ов ограничен вн>тренними габаритами сосуда высокого давления, так к, применяя этот метод, нельзя добавить питающий материал без Охлаждения раствора и сброса давления. Однако те же затравки О жно помещать в новый раствор три или четыре раза. Более высокие скорости роста при использовании гидротермального синтеза возмож- [c.57]

Как МЫ видели, существенным препятствием в использовании равновесия жидкость — кристалл при выращивании кристаллов может оказаться химическое взаимодействие расплава с контейнером и плавление последнего. Это обстоятельство становится особенно существенным в случае выращивания кристаллов с высокими температурами плавления, так как если здесь химическое взаимодействие отсутствует, то верхний предел ставится плавлением тигля. Частично проблема решается применением вольфрамовых тиглей (Гпл = 3370°С) и тиглей из карбидов и нитридов (Гпл более 4000°С). Тем не. менее, по-видимому, самым высокотемпературным материалом, успешно выращенным с применением тигля, является сапфир (Гпл = = 2015°С), полученный методом вытягивания из расплава в иридиевом тигле (Гпл = 2554 °С), с которым расплав практически не вступает в химическую реакцию (см. разд. 5.4). Если отсутствие химического взаимодействия между расплавом и тиглем считается критерием успешного выращивания кристаллов, то необходимо выяснить, можно ли практически найти тигель, устойчивый при более высоких температурах. Одним из решений проблемы является, как мы видели, метод плавающей зоны. Однако часто бывает трудно обеспечить высокую тепловую энергию в зоне, необходимую для плавления тугоплавких материалов. В первую очередь это относится к непроводящим расплавам (здесь нельзя применить высокочастотный нагрев) и к расплавам, прозрачным в инфракрасной и видимой частях спектра (нельзя использовать радиационный нагрев с помощью нагревателей сопротивления или сфокусированным излучением лампы, электрической дуги или солнца). Один из способов улучшить подвод тепловой энергии — увеличить отношение поверхности расплава к его объему. Это легко достигается тем, что на поверхности затравки или поликристаллической массы создают наплыв расплавленного материала (фиг. 5.21,а). Он удерживается на затравке или поликристаллическом образце силами поверхностного натяжения. Другие бестигельные методы выращивания представляют собой различные варианты этого способа. [c.227]

При выращивании кристаллов методом Бриджмена с горизонтальным расположением контейнера кристалл и контейнер имеют постоянные и равные площади поперечных сечений. Для этого случая можно принять, что отношение плоЩади контакта жидкой фазы и [c.91]

При выращивании кристаллов методом Бриджмена с вертикальным расположением контейнера, методом Чохральского и другими подобными методами площадь контакта жидкой фазы с внешней средой остается постоянной, так что можно записать [c.93]

Выращивание кристаллов из паровой фазы, образованной атомами или молекулами компонентов, производится преимущественно в замкнутых эвакуированных контейнерах или в вакуумных камерах. Процесс сводится к созданию потока паров, испускаемых источником, нагретым до выбранной температуры возгонки или испарения пары, пройдя некоторый путь, конденсируются на подложке. Давление насыщенных паров элементарного вещества, образующего одноатомные пары в зависимости от температуры, описывается уравнением Клаузиуса — Клапейрона. Но процесс проводится в динамическом режиме, и реальное давление паров над поверхностью источника описывается выражением [c.343]

Путем перекристаллизации поликристаллического или аморфного материала из гидротермальных растворов кристаллы выращивают двумя методами. Первый —метод температурного градиента, в котором один конец контейнера, где находится поликристаллический материал, поддерживается при несколько более высокой температуре, чем другой конец. Разница в растворимости при двух выбранных температурах и обусловливает кристаллизацию. При выращивании кристаллов по второму методу весь контейнер находится при одной температуре кристаллизация вызывается различием свободной энергии большого кристалла и остальной среды из очень мелких кристаллических или аморфных материалов [199—200]. Оба метода использовали для выращивания кристаллов кварца [199—200]. Условия кристаллизации и соответствующая аппаратура описаны в работе [201]. [c.47]

Особенность выращивания монокристаллов из расплава состоит в том, что в процессе кристаллизации меняется пространственное расположение и число областей с различным агрегатным состоянием исходного материала (шихты), расплава и монокристалла. Очевидно, что существенно меняется и теплообмен с окружающими поверхностями. При этом следует иметь в виду, что в распределение тепловых потоков определенный вклад может внести скрытая теплота кристаллизации. Все это усложняет создание общей физической модели тепломассопереноса [47]. Поэтому целесообразно весь процесс выращивания монокристаллов разделить на отдельные этапы, для которых проще создать физическую модель. Так, например, в методе Багдасарова целесообразно рассмотреть четыре этапа и, соответственно, четыре состояния кристаллизационной системы [58]. Первый этап — состояние системы от момента перемещения контейнера до начала кристаллизации. Второй этап — равновесие в контейнере между исходной шихтой, расплавом и затравочным кристаллом. Третий этап — полное расплавление шихты в контейнере имеется только кристалл и расплав. Четвертый этап — охлаждение выросшего монокристалла. [c.58]

Процесс выращивания монокристаллов осуществляется следующим образом. Цилиндрическая тонкостенная молибденовая трубка (контейнер) укрепляется на молибденовом теплопроводящем стержне с цангой, установленной, соответственно, на водоохлаждаемом штоке механизма перемещения. Коаксиальный нагреватель, в нижней части которого устанавливается вольфрамовая тепловая диафрагма, обеспечивает необходимый осевой градиент температуры. Затравочный кристалл располагается в нижней части молибденовой трубки, а расплав — в верхней части. Материал в трубке расплавляется таким образом, чтобы частично проплавлялся затравочный кристалл. После определенной выдержки, благодаря которой устанавливается температура расплава, включается механизм перемещения. [c.126]

Процесс направленной кристаллизации начинается с гетерогенного образования зародышей на охлаждаемой стенке контейнера или с их гомогенного зарождения в слое жидкости, примыкающем к этой стенке. Иногда для облегчения начала кристаллизации, а также в слзгчае выращивания монокристаллов в охлаждаемом конце контейнера помещается затравочный кристалл. [c.228]

Одной из основных задач при выращивании монокристаллов является обеспечение монокристаллического роста. Эта задача решается разными путями. В одних методах используется готовая монокристаллическая затравка, от которой начинается рост монокристалла, в других используются контейнеры, форма которых способствует возникновению монокристаллического зародыша и дальнейшему его росту. Для получения первоначальных затравочных монокристаллов может быть использовано явление анизотропии роста кристаллов [458]. [c.317]

Рис. ХУ-4. Выращивание монокристалла по методу Бриджмена а — при использовании затравочного кристалла 1 — нагревательная секция г — контейнер з — затравочный кристалл 4 — охлаждающая секция б — при медленном понижении подаваемой на печь мощности 1 — контейнер

По рассмотренным выше методам выращивание монокристаллов производится в контейнерах, позволяющих получать монокристаллы заданной формы. При этом, однако, часто в кристаллах наблюдается внутреннее напряжение, которое может привести к их деформации или изменению физических и механических свойств. Такое явление наблюдается особенно тогда, когда линейные коэффициенты расширения материала контейнера и кристаллизующегося вещества сильно различаются. Чтобы избежать внутренних напряжений, применяют методы, использующие свободный рост кристалла в расплаве при одностороннем охлаждении. В этом случае растущий кристалл не соприкасается со стенками контейнера. [c.322]

Выращивание монокристаллов граната методом ГНК осуществлялось на серийных установках Протон-1 и СГВК (горизонтальная вакуумная колпаковая электропечь сопротивления). Основные конструктивные элементы в них следующие кристаллизационная камера с механизмом перемещения контейнера, нагревательная система и блок управления. Электропечь СГВК отличается от установки Протон-1 в основном больщим размером ростовой камеры, обеспечивающим возможность выращивания кристаллов массой до 2 кг, и более соверщенной системой управления. [c.169]

Ютек и др. [304—307], Коул и Вайнгард [308], Хэрл [309, 310], а также Хэрл и др. [311] исследовали потоки жидкости в длинных горизонтальных сосудах (лодочках) при выращивании кристаллов из расплава. Такие потоки, возникающие без перемешивания или иного вносимого извне перемещения, называются естественной, или тепловой, конвекцией и обусловлены различием плотностей и действием сил тяготения. Известны теоретические исследования родственных задач, в том числе задач о конвективном переносе тепла от нагретой вертикальной пластины [284], о переносе тепла между двумя близко расположенными вертикальными пластинами [312] и о переносе тепла между двумя подогреваемыми снизу горизонтальными пластинами [213] (классическая задача Рэлея — Бенара). Однако частный случай тепло- и массопереноса в длинном горизонтальном сосуде, температура жидкости на концах которого различна, по-видимому, теоретически не исследован. Некоторое представление о распределении потоков в таком сосуде при естественной конвекции дает модельный опыт, поставленный Россби [313]. В этом опыте прозрачный сосуд с прозрачной жидкостью помещали на горизонтальном алюминиевом бруске, который служил основанием контейнера. Вдоль этого бруска создавали градиент температуры. Распределение потоков было видно по движению взвешенных частиц алюминия. По дну контейнера шел поток от холодного конца к более теплому, затем у нагретого конца он поднимался, шел по поверхности от горячего конца к холодному и там опускался кроме того, по всей длине контейнера существовали потоки, опускающиеся от поверхности вниз. Слой жидкости на дне был холоднее, чем у поверхности контейнера. На фиг. 44 [306] схематически представлены такие же потоки, которые наблюдались визуально в горизонтальной лодочке с прозрачным расплавом хлористого натрия при скорости потоков около 2,5 см/с. Наряду с ними видны и ячейки с восходящими и нисходящими потоками. При продольных градиентах температуры около 30°С/см наблюдаемые потоки были по большей части [c.522]

Зонную плавку, о которой уже говорилось в связи с очисткой веществ, также можно использовать для выращивания монокристаллов. Впервые ее применили для приготовления монокристаллов висмута [126], а позднее с большим успехом для кристаллизации германия [127] и других полупроводниковых материалов. Недостаток горизонтальной зонной плавки — контакт с контейнером основное преимущество состоит в том, что выращивание кристалла сопровождается очисткой. Кроме того, это удобный метод выращивания легированных кристаллов. Контакт с контейнером устраняется в одном из вариантов с вертикальным расположением контейнера, а именно в методе плавающей зоны, в котором узкая расплавленная зона поддерживается силами поверхностного натяжения. Этот метод применялся для выращивания кристаллов металлов, а также полупроводников. Способы нагрева — индукционный нагрев, электронная бомбардировка [128], оптические методы, связанные с использованием инфракрасного излучения от угольной дуги [129], плазменного факела [130] или кинолампы. Однородность кристалла улучшается, если поддерживающие расплавленную зону стержни вращаются [131]. [c.36]

Более простую методику предлож ил Хортон [64], а Филдинг [51] позже несколько усовершенствовал ее. Прибор состоит из широкой стеклянной трубки, заполненной двумя несмешиваюш,имися жидкостями. Верхний слой нагревается до температуры, значительно превышающей точку плавления выращиваемого кристалла. При использовании глицерина и силиконового масла — оба они имеют низкую теплопроводность — на границе этих двух жидкостей устанавливается очень резкий градиент. Медленно опуская контейнер для выращивания кристаллов через эту границу, можно легко получить крупные кристаллы. Поскольку градиент очень резкий, термостатирование не требуется. Единственным условием является очень прочная установка прибора, так как любая вибрация поверхности раздела приводит к сильному искажению градиента и тем самым к неправильному росту кристалла. Автору часто приходилось иметь дело с этим методом и выращивать большое количество крупных органических кристаллов. Другое достоинство метода заключается в возможности его универсального использования. Один и тот же прибор служит для выращивания как крупных, так и мелких кристаллов, поскольку позволяет использовать контейнеры для кристаллов самых различных форм и размеров. При очень высоких температурах — для твердого органического состояния они лежат уже выше 300° С — масла испаряются слишком быстро, поэтому метод применим лишь к веществам, которые плавятся ниже этой температуры. Однако сюда входит большая группа обычно используемых веществ. [c.18]

Полупроводниковые кристаллы-активные среды полупроводниковых лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями зоны проводимости и валентной зоны. Иссюльзуют [юлу-проводники типа А В , А "В , А В . Активные элементы изготовляют из монокристаллов (напр., dS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для к-рых характерен электронно-дырочный переход (р - и-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по хим. составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. Наиб, распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа А "В на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и А1 и их твердых р-ров. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых р-ров замещения (напр., Al,Ga, As), в к-рых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы [юлучают из особо чистых исходных в-в кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направленная или зонная кристаллизация в контейнере, бестигельная зонная плавка) и эпитаксиальным выращиванием тонких кристаллич. слоев при кристаллизации из газовой фазы или расплавов твердых р-ров. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, напр., элементы П (Zn, d, Mg акцепторы электронов), IV, VI (Sn, Те, Se, S доноры) групп. Благодаря разнообразию полупроводниковых кристаллов созданы лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм, обладающие малой инерционностью ( 10 с) и высоким кпд (до 50%), работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме (мощности 10 Вт при длительности импульса 3 НС и 10 Вт соответственно). Лучевая прочность полупроводниковых Л. м. ограничивает выходную мощность лазеров. [c.566]

Выращивание вз расплава. Контейнер с расплавом и затравкой охлаждают так, чтобы затравка всегда была холоднее расплава, но переохлаждение на ее пов-сти было невелико и затравка росла без дендритообразования или появления паразитных кристаллов. Этого достигают разными способами меняя т-ру нагревателя (метод Стронга-Штёбера), перемещая нагреватель относительно контейнера (метод Бриджмена - Стокбаргера), размещая затравку иа неподвижном охлаждаемом стержне (метод Наккена), вытягивая затравку из расплава по мере роста кристалла без вращения (метод Киропулоса) или с вращением (метод Чохральского). Затравке или щели, из к-рой вьггягивают кристалл, иногда придают спец. форму, выращивая кристаллы разного профиля (метод Степанова). Особенно широко распространен метод Чохральского, при к-ром затравку закрепляют на охлаждаемом стержне, опускают в расплав, а затем вытягивают из расплава при непрерывном вращении стержня. Метод используют для пром. получения металлич. и полупроводниковых кристаллов размером 1-50 см с регулированием их качества (дефектности) путем изменения скоростей вращения и вытя- [c.132]

Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) представляет собой разновидность метода Бриджмена — Стокбаргера в горизонтальном варианте. Этот метод широко развит в нашей стране благодаря работам X. С. Багдасарова и его коллег по созданию ростового оборудования и разработке технологий выращивания на нем крупных монокристаллов высокотемпературных соединений иттрий-алюминиевого граната и корунда [3, 4, 5]. К достоинствам этого метода можно отнести возможность использования в качестве контейнерного материала молибдена — менее дорогостоящего и дефицитного по сравнению с иридием, применяемым в методе Чохральского возможность получения крупных пластинообразных монокристаллов относительную техническую и технологическую простоту исполнения. Основной недостаток метода ГНК —наличие контакта выращиваемого монокристалла с контейнером, с чем связано загрязнение расплава и возникновение в кристалле остаточных напряжений, трещин. [c.169]

В целях устрацения указанных недостатков процесса подготовки шихты для кристаллизации монокристаллов граната во ВНИИСИМСе была разработана технология сплавления шихты на установке с гарниссажным методом плавления (типа Кристалл-401 ). Сущность этого метода заключается в плавлении электропроводного вещества токами высокой частоты в водоохлаждаемом контейнере ( холодный тигель). За счет интенсивной теплоотдачи на границе расплав — контейнер сохраняется тонкий слой нерасплавленного материала, так называемый гарниссажный слой. Этот метод, благодаря работам сотрудников ФИАН под руководством А. М. Прохорова и В. В. Осико, нашел применение в области выращивания фианитов—монокристаллов стабилизированного кубического диоксида циркония с температурой плавления около 2800 °С. [c.177]

Выращивание монокристаллов ИАГ для акустоэлектроники проводилось на установке СГВК в вакууме не более 0,01 Па в молибденовых контейнерах-лодочках, вмещающих до 1600 г шихты. В связи с тем что температура плавления ИАГ и редкоземельноалюминиевых гранатов очень близки (в пределах 1930—1980 °С) режим работы установок при синтезе технических гранатов практически не отличается от таковых при производстве ювелирных кристаллов. Выращивание велось на ориентированную затравку, скорости кристаллизации варьировались в зависимости от составов и концентраций, от 2 до 8 мм/ч, скорость охлаждения 85 К/ч. [c.189]

В то Время как температура внутри каждой жидкости была постоянной. Температуру верхней жидкости поддерживали приблизительно 30°, а нижней —около —28° путем погружения в охладитель. Ампулу опускали очень медленно через жидкую поверхность раздела при помощи часового механизма. Назначение узкой трубки на дне контейнера (см. рис. 65) состояло в том, чтобы способствовать образованию монокристаллической грани на стыке узкой трубки и широкого контейнера. По истечении приблизительно 10 суток, когда весь бензол, за исключением небольшого количества, закристаллизовался, ампулу переворачивали и жидкую фракцию удаляли. Твердое вещество расплавляли и собирали отдельно. Полагали, что количество примесей в таком образце было слишком мало, чтобы их можно было обнаружить методом термического анализа. Этот общий метод для выращивания монокристаллов, часто называемый методом Бридгмана или Бридгмана — Стокбергера, аналогичен методу направленной кристаллизации. Однако скорость движения при этом методе значительно ниже. На пример, Шервуд и Томсон нашли, что для того, чтобы вырастить хорошие кристаллы антрацена, требовалась скорость 0,1—0,2 см час. [c.182]

При выращивании монокристаллов широко используют однопроходную зонную перекристаллизацию, особенно бестигельные варианты, позволяющие устранить контакт растущего кристалла со стенками контейнера. Преимущество использования для выращивания монокристаллов зонной перекристаллизации по сравнению с методами нормальной направленной кристаллизации заключается в том, что в одном аппарате можно совместить кристаллизационную очистку или выравнивание состава с выращиванием совершенных кристаллов. В первом случае используется многократное движение расплавленных зон в одном направлении, во втором — во встречных направлениях или в одном направлении, но с использованием образцов кольцеобразной формы. [c.58]

Хорошие условия для перемешивания расплава термогравитационной конвекцией создаются при вертикальной направленной кристаллизации вещества сверху вниз (см. рис. 13 а). Этот прием, применявшийся при зонной очистке некоторых органических веществ, мы использовали при кристаллизационном концентрировании ряда микропримесей в солях щелочных металлов [89-92] (см. гл. 4). Примечательной особенностью такой кристаллизации является образование осевой цилиндрической усадочной раковины (рис. 14), которое обусловлено различием плотности кристалла и расплава и прилипанием слитка к стенкам контейнера. Рассмотренный вариант направленной кристаллизации отличается от широко применяемого для выращивания монокристаллов метода Бриджмена-Стокбаргера [23, с. 176], в котором фронт кристаллизации движется снизу вверх, усадочная раковина не образуется, а термогравитационная конвекция в большей части расплава практически отсутствует. [c.39]

Высокие температуры плавления и высокие значения давления диссоциации многих соединений вызывают большие трудности при изготовлении монокристаллов с контролируемыми свойствами методами выращивания из расплавов. Основными препятствиями являются выбор материала для изготовления контейнера для расплава, а также необходимость проведения процесса выращивания монокристаллов в атмосфере паров летучего компонента под строго фиксированным и постоянным давлением. Первое затруднение можно преодолеть, применяя метод бестигельной плавки. В отнощении создания атмосферы паров летучего компонента следует отметить следующее. Определение равновесных значений парциальных давлений паров при диссоциации веществ, плавящихся при высоких температурах, является в большинстве случаев крайне сложной операцией, осуществляемой косвенными методами, а потому сопряженной со значительными ошибками измерений. Например, для давления паров фосфора над расплавом фосфида галлия в литературе приводятся значения, которые рознятся на 10—15 ат, при наиболее вероятном давлении паров фосфора, равном 25 ат. Кроме того, давление паров резко изменяется при изменении температуры (в простейшем случае по экспоненциальному закону), что требует очень тщательной стабилизации температуры источника паров и расплава. Действительно, в случае сильно диссоциирующего соединения при любом отклонении от условий равновесия расплава с паровой фазой состав расплава изменяется. Большинство соединений имеют довольно значительные отклонения от стехиометрии, а изменение стехиометрии чистого расплава вызывает изменение состава кристалла и, следовательно, его свойств. Рассмотрим участок диаграммы состояния вблизи точки плавления соединения (при р = onst рис. 6,28). [c.335]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология