Монокристал
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Монокристал

Монокристал, окремий однорідний кристал, що має безперервну кристалічну решітку і що характеризується анізотропією властивостей (див. Кристали ) . Зовнішня форма М. обумовлена його атомнокрісталлічеськой структурою і умовами кристалізації . Часто М. набуває добре вираженого природного ограновування, в нерівноважних умовах кристалізації ограновування виявляється слабо. Прикладами огранованих природних М. можуть служити М. кварцу, кам'яній солі, ісландського шпату, алмазу, топазу . Від М. відрізняють полікрісталли і полікристалічні агрегати, що складаються з безлічі різно орієнтованих дрібних М.

загрузка...

  М. коштовні як матеріал, що володіє особливими фізичними властивостями. Наприклад, алмаз і боразон гранично тверді, флюорит прозорий для широкого діапазону довжин хвиль, кварц пьезоелектрік (див. П'єзоелектрика ) . М. здатні міняти свої властивості під впливом зовнішніх дій (світла, механічної напруги, електричної і магнітного полів, радіації, температури, тиску). Тому вироби і елементи, виготовлені з М., застосовуються як різні перетворювачі в радіоелектроніці, квантовій електроніці, акустиці, обчислювальній техніці і ін. Спочатку в техніці використовувалися природні М., проте їх запаси обмежені, а якість не завжди досить високий. В той же час багато коштовних властивостей було знайдено лише в синтетичних кристалів. Тому з'явилася необхідність штучного вирощування М. Ісходноє речовина для вирощування М. може бути в твердому (зокрема, в порошкоподібному), рідкому (розплави і розчини) і газоподібному станах.

  Відомі наступні методи вирощування М. з розплаву: а) Стокбаргера; б) Чохральського; у) Вернейля; г) зонної плавки . В методі Стокбаргера тигель з розплавом 1 переміщають уздовж печі 3 у вертикальному напрямі із швидкістю 1—20 мм/ч ( мал. 1 ). температура в плоскості діафрагми 6 підтримується рівній температурі кристалізації речовини. Т. до. тигель має конічне дно, то при його повільному опусканні розплав в конусі виявляється при температурі нижче за температуру кристалізації, і в нім відбувається утворення (зародження) найдрібніших кристалів, з яких надалі завдяки геометричному відбору виживає лише один. Відбір пов'язаний головним чином з анізотропією швидкостей росту граней М. Етот метод широко використовується в промисловому виробництві крупних М. флюориту, фтористого літію, сірчистого кадмію і ін.

  В методі Чохральського М. повільно витягується з розплаву ( мал. 2 ). Швидкість витягування 1—20 мм/ч. Метод дозволяє отримувати М. заданої кристалографічної орієнтації. Метод Чохральського застосовується при вирощуванні М. ітрієво-алюмінієвого граната, ніобату літію і напівпровідникових М. А. Ст Степанов створив на основі цього методу спосіб для вирощування М. з перетином заданої форми, який використовується для виробництва напівпровідникових М.

  Метод Вернейля бестігельний. Речовина у вигляді порошку (розмір часток 2—100 мкм ) з бункера 1 ( мал. 3 ) через киснево-водневе полум'я подається на верхній оплавлений торець монокристала приманки 2, що повільно опускається за допомогою механізму 5 . Метод Вернейля — основний промисловий метод виробництва тугоплавких М.: рубіна, шпінелей, рутилу і ін.

  В методі зонної плавки створюється вельми обмежена по ширині область розплаву. Потім завдяки послідовному проплавленню всього злитка отримують М. Метод зонного проплавлення набув широкого поширення у виробництві напівпровідникових М. (Ст Дж. Пфанн, 1927), а також тугоплавких металевий М. молібден, вольфрам і ін.

  Методи вирощування з розчину включають 3 способи: низькотемпературний (розчинники: вода, спирти, кислоти і ін.), високотемпературний (розчинники: розплавлені солі і ін.) і гидротермальний. Низькотемпературним кристалізатором є судина з розчином 1, в якому створюється пересичення, необхідне для зростання кристалів 2 шляхом повільного зниження температури, рідше випаром розчинника ( мал. 4 ). Цей метод використовується для здобуття крупних М. сегнетової солі, дігидрофосфата калія (KDP), нафталіну і ін.

  Високотемпературний кристалізатор ( мал. 5 ) містить тигель з розчинником і з'єднанням, що кристалізується, поміщений в піч. З'єднання, що кристалізується, випадає з розчинника при повільному зниженні температури (раствор-расплавная кристалізація). Метод застосовується для здобуття М. железоїттрієвих гранатів, слюди, а також різних напівпровідникових плівок.

  синтез Гидротермальний 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-код 2 або 3000 кгс/см 2 ) і перепадом температури між верхньою ( T 1 ~ 250°c) і ніжней ( Т 2 ~ 500 °С) частямі автоклава ( мал. 6 ). Перенесення речовини здійснюється конвективним перемішуванням. Гидротермальний синтез є основним процесом виробництва М. кварцу.

  Методи вирощування М. з газоподібної речовини: випар вихідної речовини у вакуумі з подальшим осадженням пари на кристал, причому осадження підтримується певним перепадом температури Т ( мал. 7 , а); випар в газі (зазвичай інертному), перенесення того, що кристалізується речовини здійснюється направленим потоком газу ( мал. 7 , би); осадження продуктів хімічних реакцій, що відбуваються на поверхні М. приманки ( мал. 7 , в). Метод кристалізації з газової фази широко використовується для здобуття 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 (чужорідні включення, блоки, напруга) і мікроскопічні ( дислокації, домішки, вакансії ; див.(дивися) Дефекти в кристалах ) .

  Існують спеціальні методи зменшення числа дефектів в М. (відпал, вирощування М. на бездефектних кристалах приманок і ін.).

  При вирощуванні М. використовуються різні способи нагрівання: омічний, високочастотний, газополум'яний, рідше плазмовий, електроннопроменевий, радіаційний (в т.ч. лазерний) і електродуга.

 

  Літ.: Баклі Р., Зростання кристалів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1954; Лодіз Р. А., Паркер Р. Л., Зростання монокристалів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973; Маллін Дж., Кристалізація, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Кожухарів А. Ст, Утворення кристалів, М. — Л., 1947; його ж, Як зростають кристали, М. — Л., 1935; Пфанн [Ст Дж.], Принципи зонної плавки, в кн.: Германій, сб.(збірка) переведень, М., 1955 (Рідкі метали), с. 92. Див. також літ.(літературний) при ст. Кристалізація .

  Х. С. Багдасаров.

Мал. 3. Схема апарату для вирощування монокристалів по методу Вернейля: 1 — бункер; 2 — кристал; 3 — пекти; 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 — пекти; 4 — холодильник; 5 — механізм витягування.

Мал. 5. Схема високотемпературного кристалізатора: 1 — розчин; 2 — кристал; 3 — пекти; 4 — тигель.

Мал. 6. Схема автоклава для гидротермального синтезу: 1 — розчин; 2 — кристал; 3 — пекти; 4 — речовина для кристалізації.

Мал. 7. Схема установки для кристалізації з газової фази; пунктиром показаний розподіл температури уздовж печі.

Мал. 4. Схема низькотемпературного кристалізатора: 1 — розчин; 2 — кристал; 3 — пекти; 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 — пекти; 4 — холодильник; 5 — термопара; 6 — діафрагма.