Выращивание кристаллов (987305), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Питание газоразрядной лампы легко осуществляется либо от обычных мотор-генераторов, либо от системы трансформатор-выпря­митель при регулировке посредством магнитных усилителей. Разви­тие метода потребовало как увеличения размеров выращиваемых кристаллов, так и получения монокристаллов соединений, имеющих более высокие температуры плавления. Некоторый интерес представ­ляет схема системы, представленная на рис. 11.1.24 в. В схеме сде­лана попытка увеличить поток лучистой энергии путем применения двух газоразрядных ламп. Оптическая система состоит из двух параболических зеркал 21 и 22, одного эллиптического 20 и двух сферических 23 и 24. Эллиптический отражатель 20 расположен так, чтобы его дальний фокус совпадал с фокусом параболического отражателя 21. Эллиптическое зеркало 20 может перемещаться в вертикальной плоскости. Все это дает возможность как увеличивать мощность светового потока в зоне кристаллизации, так и создавать желаемые температурные поля в зоне предварительного отжига вы­росшего кристалла.

Большой проблемой при выращивании тугоплавких материалов является нагревательный элемент печи отжига. Так, например, для проведения ряда важных процессов требуется печь, в которой до­стигалась бы температура порядка 2800 К в окислительной атмосфере. Если в качестве нагревательного элемента применить оксидные материалы, например, окись циркония, гафния, обладающие достаточной проводимостью (см. рис. 11.1.22} в указанном интервале температур, то для начала индукционного разогрева печи отжига необходим ее предварительный подогрев. Этот подогрев достигается с помощью перемещения по вертикали зеркала (рис. 11.1.24 в). Различные варианты трехзеркальных оптических систем с использованием двух ламп приведены на рис. 11.1.24 г. Сочетание моноэллиптической и биэллиптической бипараболической систем увеличивает плотность мощности в фокусе основной системы при сохра­нении радиальной симметрии фокуса, что особенно важно при выра­щивании кристаллов. На рис. 11.1.25 а, б приведены характеристики установки для выращивания по методу оптической зонной плавки. При токах 150 А через каждую лампу мощность в фокусе составляет 1200 Вт. Мощность, идущая на нагрев единицы поверхности зоны, линейно уменьшается с увеличением диаметра зоны (при сохранении высоты зоны постоянной).

Р
ис. 11.1.25. Распределение мощности а рабочем фокусе оптиче­ской системы: а – аксиальное; б - радиальное (кружками отмечены данные для бипараболической системы, квадратами для моноэллиптической, треугольниками - для трехзеркальной); в - зависимость максималь­ного диаметра зоны от температуры плавления материала: 1 - двухзеркальная система; 2 - трехзеркальная система.

Это изменение можно аппроксимировать приближенной зависимостью

P=P₀-k΄α (11.1.19)

где k' - коэффициент, зависящий от режима работы печи. Для оптимального режима работы печи, обеспечивающего стабильный и длительный процесс вырашивания монокристаллов в нашем случае, величина коэффициента k' 100 Вт/см³. Для поддержания зоны в расплавленном состоянии необходимо, чтобы мощность Р, иду­щая на нагрев, по меньшей мере равнялась мощности излучаемой единицей площади поверхности зоны. При этом мы, пренебрегаем всеми другими видами потерь энергии, кроме потерь на излучение. Таким образом, необходимо (но недостаточно) выполнение следую­щего равенства:

P₀-k΄α= ασТ_пл⁴ (11.1.20)

где σ - постоянная Стефана-Больцмана; α- коэффициент черноты поверхности; Т_пл - температура плавления, материала. Из (11.1.20) можно оценить максимальный диаметр зоны для данно­го материала

(11.1.21)

Если α=0,4, то (11.1.21) примет вид

d=d₀-2,5*10^-4 Т_пл⁴ (11.1.22)

где d₀ параметр, характеризующий установку и режим работы (d₀=2). Отсюда прослеживается интересная зависимость, ха­рактеризующая работу печи оптического нагрева. На этих печах можно плавить материалы с различными температурами плавления, только при этом будет меняться максимальный диаметр зоны, которую мы сможем получить. При увеличении температуры плавле­ния материала уменьшается максимально достижимый диаметр зоны. На рис. 11.1.25 в приведена зависимость максимального диаметра зоны при оптимальном режиме работы печи от температуры плавления материала. Таким образом, на оптических печах можно выращивать кристаллы, имеющие довольно высокие температуры плавления. Однако верхний температурный предел выращиваемых кристаллов определяется температурными градиентами, имеющими­ся в зоне роста. Если осевые градиенты температуры при малой скорости выращивания не являются критичными, то радиальные градиенты температуры на поверхности роста монокристалла при остаточной величине могут создать термоупругие напряжения, приводящие к растрескиванию монокристалла.

С помощью вышеизложенного метода были получены монокристаллы гранатов РЗЭ, алюминатов РЗЭ, скандатов РЗЭ, легированные редкоземельными ионами и некоторыми ионами переходной группы железа, а также получены монокристаллы окиси иттрия, окиси эрбия и окиси гадолиния, легированные ионами неодима, тулия и гольмия. Диаметр выращенных кристаллов порядка 6 мм, длина 80 мм. При выращивании кристаллов методом зонной плавки необходимо учитывать зависимость распределения примеси от гео­метрического места в выращенном кристалле. Концентрация приме­си может быть рассчитана по формулам:

(k<1) (11.1.23)

(k>1) (11.1.24)

где l - длина зоны; х - длина пройденного зоной участка; С₀-начальная концентрация примеси в веществе; C_s- концентрация примеси в пройденном зоной участке кристалла.

Использование вышеприведенных формул полностью справедли­во, если в полученном кристалле отсутствуют объемные изменения и параметры зоны не изменяются в течение всего процесса. Конт­роль распределения примесей легко осуществляется оптическими или радиографическими методами.

За последние годы получил развитие лазерный нагрев, который в сочетании с бестигельными методами кристаллизации позволяет создать особо чистые условия в зоне кристаллизации. Этот вид нагрева обладает рядом существенных преимуществ, среди ко­торых особое значение имеет то, что энергия в зону расплава пе­редается высококогерентным излучением, позволяющим вывести источник нагрева за пределы реакционной камеры. Лазерный нагрев, однако, вносит и определенную специфику, связанную с характером поглощения стимулированного излучения. Эта особенность опреде­ляется свойствами исходного вещества, расплава и кристалла, а именно; величинами коэффициента поглощения, удельной теплотой плавления, теплопроводностью, температурой плавления, геометри­ческой конфигурацией кристаллизуемой системы. В этой связи воз­никают требования как к длине волны и энергии излучения, так и к характеристикам работы лазера.

Большинством исследователей были использованы газовые и твердотельные лазеры, работающие в непрерывном режиме и обла­дающие большой энергией излучения при относительно высоком КПД. Так как длина волны газовых лазеров на углекислом газе порядка 10,6 мкм, в области которой большинство веществ непрозрачно, то теряется различие в поглощении лазерного излуче­ния кристаллом и расплавом. Для управления температурным полем и создания градиентов температуры вблизи фронта кристаллизации, однако, необходимо такое отличие. Оно может быть достигнуто при использовании более коротковолнового лазера, использующего в ка­честве активного вещества, например, иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима. На рис. 11.1.26 приведены схемы выращивания тугоплавких монокристаллов с использованием лазерно­го нагрева, основанные на методах Вернейля (рис. 11.1.26 а) и дифференциального вытягивания (метод Чохральского рис. 11.1.26 б).

Р
ис. 11.1.26 а. Схемы кристаллизационных аппаратов с лазерным нагревом по методу Вернейля: 1 — лазер; 2 - кристалл; 3 - расплав; 4 - шихта; 5 -двигатель; 6 – механизм опускания.

Л
азерный нагрев позволяет также создать метод кристаллизации, основанный на разнице показателя поглощения между кристаллом и расплавом. Сущность метода заключается в том, что в исходное вещество вводится легколетучая примесь, вызывающая интенсивное поглощение лазерного излучения. По мере испарения примеси проис­ходит кристаллизация этого вещества. Подбором вида примеси и температуры плавления можно добиться необходимых скоростей выращивания. Этот способ не требует каких-либо механических перемещений кристалла и особенно перспективен при кристаллизации в экстремальных условиях.

Рис. 11.1.26 б. Схемы кристаллизационных аппаратов с лазер­ным нагревом по методу Чохральского: 1 - лазер; 2 - луч; 3 - фокусирующая линза;4 -растущий кристалл; 5 - верхний механизм перемещения; 6 механизм перемещения; 7 - цанговый держатель; 8 –штабик

Лазерный нагрев был успешно использо­ван для получения кристаллов гранатов РЗЭ, кроме того, таким способом были получены кристаллы оксидов иттрия, эрбия и люте­ция

11.1.2 Выращивание диэлектрических кристаллов из высокотемпературных растворов

Известно, что монокристаллы одного и того же вещества можно получить различными методами кристаллизации. В тех случаях, когда выращивать монокристаллы из собственных расплавов не целесообраз­но, например, по ниже перечисленным причинам, процесс выращивания желательно вести при температуре ниже температуры плавления вы­ращиваемого материала. Это обычно обусловлено следующими обстоятельствами:

1) выращиваемое вещество неустойчиво при высоких температуpax и характеризуется полиморфными превращениями вблизи темпера­туры плавления, большой величиной давления пара при температуре выращивания или инконгруэнтной точкой плавления;

2) в случаях, когда необходимо получать кристаллы с понижен­ной концентрацией вакансий или предотвратить появление больших термических напряжений в кристалле;

3) для достижения нужного распределения ряда примесей при некоторых условиях, например, когда примесь характеризуется повы­шенной летучестью при температуре плавления материала.

Под кристаллизацией из растворов обычно подразумевается рост кристалла соединения, химический состав которого заметно отличает­ся от химического состава исходной жидкой фазы. В зависимости от условий протекания процесса и химической природы растворителя ис­торически различают процессы выращивания в гелях (как правило, при температурах не выше 350-360 К), из перегретых водных растворов (гидротермальный метод, температура до 1073 К) и из солевых расплавов (метод кристаллизации из раствора в расплаве), температуры процесса в этом случае обычно не превышают 1500-1573 К но иногда бывают и выше.

Методы выращивания кристаллов из растворов в расплавах (РРМ) характеризуются рядом методических особенностей, позволяющих при их рассмотрении объединить эти методы в отдельный раз­дел. Как уже говорилось, для РРМ характерны промежуточные тем­пературы процесса между расплавленными методами и методами вы­ращивания из водных растворов. РРМ позволяют выращивать в лю­бой атмосфере кристаллы высокотемпературных соединений, характе­ризующиеся полиморфными переходами в температурной области ниже точки плавления, обладающих повышенной летучестью кристаллизуемо­го вещества или лавирующей примеси вблизи температуры плавления. С помощью РРМ могут быть выращены кристаллы практически лю­бых соединений поскольку метод подразумевает неограниченный вы­бор как растворителей, так и температурных областей кристаллиза­ции. К основным недостаткам рассматриваемой группы методов сле­дует отнести: изменение условий роста в ходе проведения единично­го процесса выращивания, загрязнение получаемого кристалла компо­нентами растворителя и материалом тигля, сравнительно небольшие скорости роста.

Характеристики

Список файлов лекций