монокристаллов выращивание
МОНОКРИСТАЛЛОВ ВЫРАЩИВАНИЕ
проводят разл. методами, обеспечивающими получение индивидуальных кристаллов заданного размера, формы и дефектности. При М. в. заранее полученные мелкие кристаллы (затравку) помещают в пересыщ. среду (пар, раствор, расплав, твердое вещество) и выдерживают там до укрупнения затравки. Пересыщение и температуру среды поддерживают такими, чтобы затравка росла со скоростью 10−7- 10−1 мм/с без спонтанного образования центров кристаллизации с сохранением морфологич. устойчивости (см. кристаллизация). Монокристалличность выросших кристаллов проверяют методом рентгеноструктур-ного анализа. Иногда в качестве затравки используют кристаллы, образовавшиеся в пересыщ. среде в начале выдержки (самозатравка). Из пара проводят М. в. веществ, летучих или образующих летучие соед. при температуре кристаллизации, а также продуктов их взаимод. или термич. разложения, из раствора -- хорошо растворимых веществ и продуктов их взаимод., из расплава — конгруэнтно плавящихся веществ, из твердой фазы-тугоплавких и коррозионноактивных веществ.
Выращивание из пара. Исходное поликристаллич. или аморфное вещество помещают в источник пара (питатель) и нагревают до испарения. Пары вещества из источника диффундируют или переносятся с потоком газа-носителя в зону, где находится затравка, охлажденная относительно источника (м е т о д д е с у б л и м а ц и и). В качестве источника используют также вещества, при разложении которых на затравке образуется кристаллизующееся вещество. Затравку при этом нагревают до температуры. при которой разложение исходного вещества происходит с достаточной скоростью (м е т о д в а н А р к е л а и д е Б у р а). Иногда в пар вводят реагенты, которые взаимод. на поверхности затравки с образованием кристаллизующегося вещества (м е т о д х и м. к р и с т а л л и з а ц и и, см. химическое осаждение из газовой фазы). Если вещество является нелетучим, но образует летучие термически неустойчивые соед. с к.-л. другим веществом (транспортирующим реагентом), то М. в. проводят методом х и м. т р а н с п о р т а. При этом источник и затравку помещают в пары транспортирующего реагента, а затравку нагревают относительно источника; в результате в источнике образуется летучее соед., которое переносится к затравке, где разлагается с регенерацией транспортирующего реагента (см. химические транспортные реакции). Монокристаллич. пленки (напр., Ge) получают конденсацией мол. пучков на поверхности затравки (м е т о д В е к ш и н с к о г о).
Нитевидные кристаллы ("усы") выращивают т. наз. ПЖК-м е т о д о м. При этом на поверхность затравочного кристалла перед его контактом с паром (П) наносят капли жидкости (Ж), хорошо растворяющей кристаллизующееся вещество и не растекающейся по кристаллу (К). Каждая капля поглощает вещество из пара, становится пересыщенной и обеспечивает рост той части кристалла, которая смочена ею; если рост из капли идет быстрее, чем из пара, то под каплей вырастает нитевидный кристалл, сечение которого близко к диаметру капли. ПЖК-методом получают, напр., кристаллы Si, Ge (растворитель-расплав Au) и SiC (растворитель-расплав Al) размером 1 х 200 мкм; методом хим. транспорта-соед. типа AIIIBV размером до 5 см (транспортирующие реагенты-I2, Cl2, летучие хлориды); методом хим. кристаллизации-SiC и TiBr2 размером до 0,5 см с малым количеством дефектов; методом ван Аркела и де Бура — кристаллы особо чистых тугоплавких металлов (Cd, Zn, Co); методом десублимации — металлов (W, Ta, Nb), неорг. солей (LiF, MgF2, CuCl2) и орг. веществ (антрацена и уротропина) разного размера.
Выращивание из расплава. Контейнер с расплавом и затравкой охлаждают так, чтобы затравка всегда была холоднее расплава, но переохлаждение на ее поверхности было невелико и затравка росла без дендритообразования или появления "паразитных" кристаллов. Этого достигают разными способами: меняя температуру нагревателя (м е т о д С т р о н-г а-Ш т е б е р а), перемещая нагреватель относительно контейнера (м е т о д Б р и д ж м е н а-С т о к б а р г е р а), размещая затравку на неподвижном охлаждаемом стержне (м е т о д Н а к к е н а), вытягивая затравку из расплава по мере роста кристалла без вращения (м е т о д К и р о п у л о с а) или с вращением (м е т о д Ч о х р а л ь с к о г о). Затравке или щели, из которой вытягивают кристалл, иногда придают спец. форму, выращивая кристаллы разного профиля (м е т о д С т е п ан о в а). Особенно широко распространен метод Чохральского, при котором 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 вытягивания затравки. Иногда, не вводя затравки, контейнер локально охлаждают, напр. потоком воздуха, добиваясь образования самозатравки на наиб. холодном месте и ее направленного роста (м е т о д О б р е и м о в а-Ш у б н и к о в а).
При получении сверхчистых монокристаллов затравку вытягивают из расплавленной части слитка кристаллизующегося вещества, а нерасплавленная часть слитка играет роль контейнера (б е с т и г е л ь н ы й м е т о д). В м е т о д е з о н н о й п л а в к и контейнер нагревают так, что формируется узкая зона расплава у поверхности затравки.
В широко распространенном м е т о д е В е р н е й л я порошок кристаллизующегося вещества высыпают из бункера на поверхность затравки, помещенной под пламенем горелки или газового разряда; проходя через пламя, частицы порошка плавятся и в виде капель достигают поверхности затравки, где закристаллизовываются.
Методы Стронга — Штёбера и Наккена чаще всего используют для выращивания крупногабаритных кристаллов легкоплавких орг. веществ (нафталина размером 20–50 см, бифта-лата калия размером 1–20 см); методы Бриджмена — Стокбаргера и Киропулоса — кристаллов неорг. солей (NaCl и KCl размером 20–90 см); методы Чохральского и зонной плавки — кристаллов металлов и полупроводников (Ge, Si, GdAs, ZnAs размером 1–50 см); метод Степанова-металлич. кристаллов сложной формы (труб из Al и лопаток турбин размером до 1 м); метод Вернейля — тугоплавких оксидов и солей, легированных примесями (корунда и рубина в виде стержней длиной до 3 м).
Выращивание из жидкого раствора. Методы применяют для веществ, хорошо растворимых при температуре выращивания. Затравку закрепляют на неподвижном или вращающемся кристал-лоносце и помещают в насыщ. раствор, после чего раствор охлаждают, испаряют растворитель или добавляют высаливающий агент (см. высаливание). Иногда раствор подпитывают кристаллизующимся веществом, для чего организуют циркуляцию раствора между нагретой зоной растворения, где находятся подпитывающие кристаллы, и холодной зоной роста, где расположена затравка (м е т о д т е м п е р а т у р н о г о п е р е п а д а).
Если растворителем является вода и растворимость кристаллизующегося вещества мала при обычных условиях, но возрастает с увеличением температуры, то М. в. ведут в автоклавах при температуре до 800 К и давлении до 300 МПа (м е т о д г и д р о т е р м а л ь н о г о с и н т е з а) (см. гидротермальные процессы). Для малорастворимых веществ используют метод хим. кристаллизации, при которой в суспензию затравочных кристаллов в растворителе добавляют растворы реагентов, разбавленных настолько, чтобы после их смешивания не происходило спонтанного зародышеобразо-вания. Чтобы вырастить крупные кристаллы малорастворимых веществ, используют метод встречной диффузии. В этом методе затравку помещают в трубку с гелем, а растворы реагентов вводят в разные концы трубки; реагенты медленно диффундируют в геле, создавая вокруг затравки небольшое устойчивое пересыщение. Используют также электролиз с образованием монокристаллов на электродах.
Методы охлаждения водных растворов, испарения растворителя и температурного перепада используют для выращивания кристаллов сегнетовой соли размером 30–80 см и KH2PO4 размером 30–60 см, применяемых для пьезоэлементов; методом высаливания выращивают кристаллы белков и нуклеиновых кислот; методом хим. кристаллизации-микрокристаллы Agl размером 0,1–10 мкм для фотоэмульсий; методом гидротермального синтеза — кристаллы кварца и сапфира размером до 50 см для приборостроения и ювелирной промышленности; методом охлаждения раствора в расплаве металла-кристаллы GaP размером до 1 см для электролюминесцентных датчиков; охлаждения раствора в расплаве солей-иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 размером до 2 см для твердотельных лазеров.
При выращивании из твердой фазы поликристаллич. образец нагревают чуть ниже температуры плавления, вызывая собирательную рекристаллизацию и укрупнение одного из кристаллов (самозатравки) за счет поглощения др. кристаллов. В методе деформац. отжига (часто после предварит. деформирования) образец перемещают в температурном поле, добиваясь, чтобы в образце сформировалась узкая высокотемпературная зона, двигающаяся от самозатравки вдоль образца, последовательно превращая его в монокристалл. Если вещество подвержено полиморфным превращ., то м е т о д о м А н д р а д е получают монокристаллы низкотемпературной модификации. При этом движущуюся зону поддерживают при температуре несколько выше температуры превращ., а скорость перемещения делают соизмеримой со скоростью превращ.; в результате вещество, попав в зону, переходит в высокотемпературную модификацию, а выйдя из зоны, возвращается к исходной низкотемпературной модификации, но уже в монокристаллич. форме. Если превращ. происходит слишком медленно, то образец длительно выдерживают значительно выше температуры превращ., а иногда поочередно выше и ниже этой температуры (м е т о д т е р м о — ц и к л и р о в а н и я).
Методом деформац. отжига получают, напр., кристаллы Mo и сплава Ti—Mo размером до 1–3 см (растяжение на 1–3%, отжиг при 1300–2300 К неск. часов); методом Андраде-кристаллы Al в виде листов и стержней длиной до 1 м (обработка при 650–950 К, скорость перемещения 10−2 мм/с); методом полиморфных превращ.-кристаллы алмаза и BN размером 0,1–0,5 см (температура 1600–2000 К, давление до 8 ГПа); методом термоциклирования — a-Zr сантиметровых размеров (обработка при 1110–1500 К в течение 10 сут).
Методы М. в. позволяют получать кристаллы разнообразной чистоты и дефектности при скоростях роста до 10−3 мм/с (из пара или раствора) и до 10−1 мм/с (из расплава или твердой фазы). В лабораториях выращивают монокристаллы более 200 тыс. веществ, а в промышленности — более 20 тыс.
Лит.: Лодиз Р., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1974; Рост кристаллов, под ред. К. Гудмана, пер. с англ., т. 1–2, М., 1977–80; Козлова О. Г., Рост и морфология кристаллов, 3 изд., М., 1980.
И. В. Мелихов
