Наша сеть партнеров Banwar
Монокріст а лл, окремий однорідний кристал, що має безперервну кристалічну решітку і характеризується анізотропією властивостей (див. кристали ). Зовнішня форма М. обумовлена його атомнокрісталліческой структурою і умовами кристалізації . Часто М. набуває добре виражену природну огранювання, в нерівноважних умовах кристалізації ограновування проявляється слабо. Прикладами огранованих природних М. можуть служити М. кварцу , кам'яної солі , ісландського шпату , алмазу , топазу . Від М. відрізняють полікрісталли і полікристалічні агрегати, що складаються з безлічі різноорієнтованих дрібних М.
М. коштовні як матеріал, що володіє особливими фізичними властивостями. Наприклад, алмаз і боразон гранично тверді, флюорит прозорий для широкого діапазону довжин хвиль, кварц - п'єзоелектрик (див. П'єзоелектрика ). М. здатні міняти свої властивості під впливом зовнішніх впливів (світла, механічної напруги, електричних і магнітних полів, радіації, температури, тиску). Тому вироби і елементи, виготовлені з М., застосовуються в якості різних перетворювачів в радіоелектроніці, квантової електроніки , Акустиці, обчислювальній техніці і ін. Спочатку в техніці використовувалися природні М., проте їх запаси обмежені, а якість не завжди досить високо. У той же час багато цінні властивості були знайдені тільки у синтетичних кристалів. Тому з'явилася необхідність штучного вирощування М. Початкове речовина для вирощування М. може бути в твердому (зокрема, в порошкоподібному), рідкому (розплави і розчини) і газоподібному станах.
Відомі такі методи вирощування М. з розплаву: а) Стокбаргера; б) Чохральського; в) Вернейля; г) зонного плавлення . У методі Стокбаргера тигель з розплавом 1 переміщають уздовж печі 3 у вертикальному напрямку зі швидкістю 1-20 мм / год (рис. 1). температура в площині діафрагми 6 підтримується рівній температурі кристалізації речовини. Т. к. Тигель має конічне дно, то при його повільному опусканні розплав в конусі виявляється при температурі нижче температури кристалізації, і в ньому відбувається утворення (зародження) дрібних кристаликів, з яких в подальшому завдяки геометричному відбору виживає лише один. Відбір пов'язаний головним чином з анізотропією швидкостей росту граней М. Цей метод широко використовується в промисловому виробництві крупних М. флюориту, фтористого літію, сірчистого кадмію і ін.
У методі Чохральського М. повільно витягується з розплаву (рис. 2). Швидкість витягування 1-20 мм / год. Метод дозволяє отримувати М. заданої кристалографічної орієнтації. Метод Чохральського застосовується при вирощуванні М. иттриево-алюмінієвого граната, ниобата літію і напівпровідникових М. А. В. Степанов створив на основі цього методу спосіб для вирощування М. з перетином заданої форми, який використовується для виробництва напівпровідникових М.
Метод Вернейля бестігельной. Речовина у вигляді порошку (розмір часток 2-100 мкм) з бункера 1 (рис. 3) через киснево-водневе полум'я подається на верхній оплавлений торець затравочного монокристалла 2, повільно опускається за допомогою механізму 5. Метод Вернейля - основний промисловий метод виробництва тугоплавких М .: рубіна , шпинелей , рутила та ін.
У методі зонної плавки створюється вельми обмежена по ширині область розплаву. Потім завдяки послідовному проплавлению всього злитка отримують М. Метод зонного проплавлення набув широкого поширення у виробництві напівпровідникових М. (В. Дж. Пфанн, 1927), а також тугоплавких металевий М. молібден , вольфрам та ін.
Методи вирощування з розчину включають 3 способи: низькотемпературний (розчинники: вода, спирти, кислоти та ін.), Високотемпературний (розчинники: розплавлені солі і ін.) І гідротермальний. Низькотемпературний кристалізатор представляє собою посудину з розчином 1, в якому створюється пересичення, необхідне для росту кристалів 2 шляхом повільного зниження температури, рідше випаром розчинника (рис. 4). Цей метод використовується для отримання великих М. сегнетової солі, дигидрофосфата калію (KDP), нафталіну і ін.
Високотемпературний кристаллизатор (рис. 5) містить тигель з розчинником і кристалізується з'єднанням, поміщений в піч. Кристаллизуемой з'єднання випадає з розчинника при повільному зниженні температури (розчин-расплавних кристалізація). Метод застосовується для отримання М. железоіттріевих гранатів, слюди, а також різних напівпровідникових плівок.
Гідротермальний синтез М. заснований на залежності розчинності речовини у водних розчинах кислот і лугів від тиску і температури. Необхідні для освіти М. концентрація речовини в розчині і пересичення створюються за рахунок високого тиску (до 300 Мн / м 2 або 3000 кгс / см 2) і перепадом температури між верхньою (T1 ~ 250 ° C) і нижньої (Т2 ~ 500 ° С ) частинами автоклава (рис. 6). Перенесення речовини здійснюється конвективним перемішуванням. Гідротермальний синтез є основним процесом виробництва М. кварцу.
Методи вирощування М. з газоподібної речовини: випар вихідної речовини в вакуумі з подальшим осадженням пари на кристал, причому осадження підтримується певним перепадом температури Т (рис. 7, а); випаровування в газі (зазвичай інертному), перенесення кристаллизуемой речовини здійснюється направленим потоком газу (рис. 7, б); осадження продуктів хімічних реакцій, що відбуваються на поверхні затравочного М. (рис. 7, в). Метод кристалізації з газової фази широко використовується для отримання монокристальних плівок і мікрокристалів для інтегральних схем і ін. цілей.
Вибір методу вирощування М. визначається вимогою до якості М. (кількість і характер властивих М. дефектів). Розрізняють макроскопічні дефекти (сторонні включення, блоки, напруга) і мікроскопічні ( дислокації , Домішки, вакансії ; см. Дефекти в кристалах ).
Існують спеціальні методи зменшення числа дефектів в М. (відпал, вирощування М. на бездефектних затравочних кристалах і ін.).
При вирощуванні М. використовуються різні способи нагрівання: омічний, високочастотний, Газополум'яний, рідше плазмовий, електронно-променевого, радіаційний (в т. Ч. Лазерний) і електродугової.
Літ .: Баклі Г., Зростання кристалів, пров. з англ., М., 1954; Лодіз Р. А., Паркер Р. Л., Зростання монокристалів, пров. з англ., М., 1973; Маллин Дж., Кристалізація, пров. з англ., М., 1966; Шубніков А. В., Освіта кристалів, М. - Л., 1947; його ж, Як ростуть кристали, М. - Л., 1935; Пфанн [В. Дж.], Принципи зонної плавки, в кн .: Німеччин, сб. перекладів, М., 1955 (Рідкісні метали), с. 92. Див. Також літ. при ст. кристалізація .
Х. С. Багдасаров.
Мал. 3. Схема апарату для вирощування монокристалів по методу Вернейля: 1 - бункер; 2 - кристал; 3 - піч; 4 - свічка; 5 - механізм опускання; 6 - механізм струшування.
Мал. 2. Схема апарату для вирощування монокристалів по методу Чохральського: 1 - тигель з розплавом; 2 - кристал; 3 - піч; 4 - холодильник; 5 - механізм витягування.
Мал. 5. Схема високотемпературного кристалізатора: 1 - розчин; 2 - кристал; 3 - піч; 4 - тигель.
Мал. 6. Схема автоклава для гідротермального синтезу: 1 - розчин; 2 - кристал; 3 - піч; 4 - речовина для кристалізації.
Мал. 7. Схема установки для кристалізації з газової фази; пунктиром показано розподіл температури уздовж печі.
Мал. 4. Схема низькотемпературного кристалізатора: 1 - розчин; 2 - кристал; 3 - піч; 4 - термостат; 5 - мішалка; 6 - контактний термометр; 7 - терморегулятор.
Мал. 1. Схема апарату для вирощування монокристалів по методу Стокбаргера: 1 - тигель з розплавом; 2 - кристал; 3 - піч; 4 - холодильник; 5 - термопара; 6 - діафрагма.