Ріст кристалів

Після утворення зародка подальше зростання полягає в приєднанні до вже наявного кристала матеріальних частинок. Нові частинки з розчину, пари або розплаву, осідають на поверхні граней так, що грані переміщаються паралельно самим собі в просторі, зберігаючи постійними кути між гранями кристала, що росте. Матеріальні частинки, досягнувши поверхні кристала, переміщаються по ній і осідають у певних місцях. За кінетичною теорією зростання кристалів Коселя - Странського приєднання частинки до кристала найімовірніше там, де це дає найбільший виграш енергії.

Швидкість росту сильно залежить від ступеня пересичення або переохолодження розплаву, але для досконалих кристалів з ідеально плоскими гранями невелика, навіть при значному пересиченні, оскільки для наростання кожного нового шару необхідно утворювати на поверхні кристала двомірний зародок, розміром вище критичного.

Як показали численні спостереження, на поверхні реальних кристалів завжди є порушення кристалічної будови, і грані не бувають ідеально плоскими, що полегшує приєднання до них наступних частинок. Найбільша швидкість росту у граней, на поверхню яких виходить гвинтова дислокація з незаростаючою сходинкою, до якої приєднуються частинки, створюючи спірально-шарувате наростання граней (рис.36). У цьому випадку для зростання кристала не потрібний двовимірний зародок, і зростання кристалів з пари і розчинів може відбуватися і при малих пересиченнях.

Мал. 36. Спіраль зростання поверхні кристала парафіну

Вперше спіралі зростання на поверхні кристалів спостерігав і описав механізм їх створення радянський кристалограф Г.Г. Лемлейн.

При охолодженні металу, тужавленні бетону, отриманні солі або цукру, добрив і так далі відбувається масова кристалізація, тобто утворення великої кількості кристалів у даному об'ємі. При кристалізації металів на швидкість росту і форму кристалів, що ростуть, робить вплив не стільки ступінь переохолодження, скільки швидкість і напрям відведення тепла, домішки, що не розчинилися, конвекційні струмені рідини і так далі. Поєднання впливу цих привнесених чинників із загальними законами кристалізації визначає особливості будови злитка, приведеного на рис.7.9.

Ріс.37. Схема будови злитка:

1, 2, 3 – різні за своєю структурою зони злитка

Тужавлення залитого у виливницю металу починається на її охолоджених стінках, де під дією різкого перепаду температур створюється дрібнозерниста кірка, що складається із дрібних довільно орієнтованих кристалів – дендритів (рис. 37, зона 1).

Після утворення кірки зменшується градієнт температури, а значить, змінюються умови відведення тепла, знижується ступінь переохолодження. Утворюється той, що просувається всередину суцільно, складений із сусідніх дендритних кристалів. В результаті конкурентної боротьби "виживають" кристали, у яких напрям найбільшого зростання (вісь дендрита) співпадає із нормаллю до стінки виливниці. Всі кристали цієї зони мають довгасту форму і майже паралельні один до одного – зона стовпчастих кристалів (рис. 37, зона 2). У міру збільшення товщини цієї зони знижується градієнт температури і за рахунок переохолодження у внутрішніх шарах виникає наступна зона злитка – зона рівноосних кристалів (рис. 37, зона 3).

Необхідно виділити орієнтоване зростання одного кристала на поверхні іншого – епитаксію(від латин. «ері» – на і «taxis» – розташування, порядок). Гратки наростаючого кристала орієнтуються щодо структури поверхні підкладки. При цьому повинна мати місце їх структурно-геометрична відповідність. Легко сполучаються речовини, що кристалізуються в однакових або близьких структурах, хоча епитаксію можна отримати і для структур, що розрізняються. Епітаксія легко відбувається при невеликій різниці у «візерунках» граток, що з’єднуються (до 10 %). При великій відмінності з’єднуються площини і напрями зі щільною упаковкою атомів, при цьому частина площин однієї із граток не має продовження в іншій, оскільки із-за завжди наявної невідповідності граток виникає пружна напруга в підкладці і шарі. Досягши деякої товщини шаруючої компенсації, спотворення невідповідності граток здійснюється за рахунок виникнення сітки епітаксіальних дислокацій (дислокацій невідповідності).

Можливість епітаксіального нарощування залежить не тільки від структурно-геометричної відповідності плоских сіток, що зрощуються, але і від температури процесу, ступеня перенасичення (переохолодження) речовини, що кристалізується, в середовищі, від досконалості підкладки, чистоти поверхні та інших чинників.

Вирощування тонких напівпровідникових плівок широко використовується в мікроелектроніці (інтегральні схеми, світлодіоди, транзистори), в обчислювальній техніці (елементи пам'яті). Шляхом орієнтованого нарощування створюють електронно-діркові переходи із заданими концентраціями носіїв струму, нарощують плівки із структурами (сандвіч - структури), що чергуються, із заданим типом провідності, розподілом домішок і так далі. Чергуючи процеси епітаксії, дифузії, ті, що на якнайтоншій монокристальній пластині створюють інтегральні схеми із багатьох сполук. На монокристальну підкладку фотометодом наносять креслення напівпровідникової схеми, а потім, закриваючи то одну, то іншу частину схеми, нарощують на ній епітаксіальні металеві, напівпровідникові та діелектричні шари, і в результаті отримують мініатюрний прилад.

Тонкі монокристальні металеві плівки отримують методом конденсації металів у вакуумі на поверхню скла кристала NaCl, потім сіль розчиняють, а плівка металу залишається на поверхні води.