Одержання монокристалів

Велике наукове та практичне значення мають монокристали, тому що ма-

мають мінімальні структурні недосконалості (відсутня зерниста структура).

Одержання монокристалів дозволяє вивчати властивості металів, виключивши вплив границь зерен та інших недосконалостей. Практично ідеальне ро-

зташування атомів у кристалічних решітках наближає їхню міцність до теоре-

тичної. Монокристали можна одержати, якщо створити спеціальні умови для

його росту; кристал повинен рости тільки з одного центра кристалізації. З цієї причини монокристали вирощують тільки в лабораторних умовах визначеного діаметра та довжини (у вигляді «вусів» - діаметр значно менший від довжини кристалу). Існує кілька методів для вирощування монокристалів, найваж –ливішими з яких є методи Бріджмена та Чохральского.Метод Бріджмена поля- гає в наступному (рисунок 3.3а): метал, поміщений у тігель з конічним дном 3, нагрівається у вертикальній трубчастій печі 1 до температури на 50-100 °С вище температури його плавлення. Потім тигель з розплавленим металом 2 повільно видаляється з печі. Охолодження настає в першу чергу на вер-

Рис 4.3­. Схема установок для виро- щування кристалів

виростає з того зародка, у якого напря- мок переважного росту збігається з на-

прямком переміщення тигля. При цьому ріст інших зародків придушується. Для безупинного росту монокристала не- обхідно витягати тигель з печі зі швидкістю, що не перевищує швидкість крис -талізації даного металу.

Метод Чохральського (рисунок 4.3 б) складається з витягування монокри-

сталу з розплаву. Для цього використовується готовий зародок –невеликий зразок, вирізаний з монокристала по мо жливості без структурних дефектів. Зародок вводиться в поверхневий шар рідкого металу, що має температуру ледве вищу за т емпературу плавлення. Площина зародку, що стикається з поверхнею розплаву, повинна мати кристалографічну орієнтацію, що бажано одержати в зростаючому монокристалі для забезпечення тих чи інших властивостей. Зародок витримують у рідкому металі для оплавлення та встановлення рівноваги в системі рідина-кристал. Потім зародок повільно, зі швидкістю, яка не переви- щує швидкість кри сталізації (1-2 мм/хв) видаляють з розплаву. Рідкий метал, що тягнеться за заро дком, в області більш низьких температур над поверхнеюванни кристалізується, успадковуючи структуру зародку. Для одержання симе- тричної форми зростаюч ого монокристала та рівномірного розподілу домішок у ньому ванна з розплавом обертається зі швидкістю до 100 об/хв, а назустріч їй з меншою швидкістю обе ртається монокристал.

Діаметр зростаючого монокристала («вуса») залежить від швидкості ви-

рощування та температури розплаву. Сучасна технологія дозволяє вирощувати кристали кремнію діаметром 150 мм, а в найближчому майбутньому, можливо, удасться одержати кристали діаметром до 200 мм. Виростити кристали великих діаметрів дуже важко, тому що теплові потоки, які виникають в розплаві призводять до утворення порушень у структурі кристала. Потоки в розплаві створюються за рахунок наявності в ньому градієнтів температури та густини.

Щоб сповільнити рух рідини, дослідники намагаються впливати на тигель з розплавом магнітним полем. Крім того, оскільки грав ітаційне поле є однією з

причин виникнення потоків у розплаві, привабливою уявляється ідея вирощувати кристали на борті космічних станцій.

Дуже перспективне вирощування монокристалів у космосі, де вдало спо-

лучаються глибокий вакуум і невагомість.Космічний вакуум до 10-13Па, прак-

тично недосяжний у земних умовах, сприяє значному очищенню від домішок. Унаслідок того, що в невагомості сили гравітації мізерно малі, у розплавах пра- ктично не виникає конвекція, що у земних умовах викликаєнестабільність па -раметрів росту кристалів. Відсутність конвекції не виключає утворення мікро- порушень, викликаних іншими причинами. Проте монокристали, вирощені в космосі, досконаліші за структурою, розподілом легуючих добавок (домішок) і кращі за властивостями, значно більші за ро змірами.

Лекція №5