книги из ГПНТБ / Лодиз, Р. Рост монокристаллов

ПР Е Д И С Л О В И Е АВТОРА

КРУССКОМУ И З Д А Н И Ю

О содержании, целях книги и об обстановке, в которой она появилась, уже говорилось в предисловии к английскому из­ данию. Автору особенно приятно, что «Рост монокристаллов» теперь будет издан на русском языке. Советские ученые уже давно находятся на переднем крае исследований по росту кри­ сталлов, и автор многое почерпнул из их работ. Хочется на­ деяться, что они найдут эту книгу полезной. Автор особенно хотел бы поблагодарить А. А. Чернова, А. Н. Лобачева и их коллег по Институту кристаллографии АН СССР Е. И. Гиваргизова, Л. Н. Демьянец, В. А. Кузнецова, И. П. Кузьмину, А. М. Мельникову за перевод книги. Кроме того, автор благо­ дарен ряду читателей английского издания, которые указали на ошибки, исправленные при переводе. Особенно удачно, что этот перевод выходит в свет вместе с «Механизмами роста кри­ сталлов» Р. Л. Паркера. Надо надеяться, что вместе эти работы дадут адекватную картину современной теории, методик и прак­ тики. В связи с этим хотелось бы обратить внимание читателя на обзор «Рост кристаллов» Р. А. Лодиза, Дж . Р. Каррузерса

I

МОНОКРИСТАЛЛЫ

Кристаллы интересовали человека своей красотой и ред­ костью с доисторических времен, но широкое использование они получили главным образом благодаря нуждам физики твер­ дого тела, которой кристаллы требовались как материалы для исследования и изготовления приборов.

В задачу настоящей книги входит рассказать о том, как вы­ ращивать кристаллы, и изложить основные представления о со­ вершенстве кристаллических материалов, термодинамике, ки­ нетике процессов роста, теории различных методов, требую­ щиеся тому, кто хочет стать грамотным «ростовиком».

Гл. 1 посвящена вопросам распознавания кристалличности материала и определения совершенства кристаллов. В гл. 2—3 обсуждается термодинамика и кинетика кристаллизации, тогда как в остальных главах детально рассматриваются различные способы выращивания кристаллов и особенности роста кон­ кретных материалов.

1.1. ЧТО ТАКОЕ КРИСТАЛЛ?

стоянии молекулы отстоят друг от друга на сравнительно боль­ шое расстояние (около 3-10~9 м при атмосферном давлении). При столь большом взаимном удалении молекулы сравнительно слабо взаимодействуют друг с другом и потому свободно пере­ мещаются в любом направлении. Следовательно, газ характе­ ризуется очень малой вязкостью и стремится полностью запол­ нить сосуд любого размера и любой формы, в который он заключен. Молекулы в газах располагаются практически совер­ шенно хаотично. В жидкостях же молекулы' (или атомы) от­ стоят друг от друга на расстояние около 10~10 м, и, следователь­ но, они взаимодействуют друг с другом гораздо сильнее, чем в газах. Таким образом, жидкость обладает более высокой вяз­ костью и не стремится целиком заполнить сосуд, в котором она находится. В жидкости существует ближний порядок, но он

распространяется на расстояния не более нескольких атомных диаметров от данного атома. В твердом теле промежутки между атомами приблизительно такие же, как и в жидкостях, но взаимодействие атомов сильнее. Так, атомы в твердом теле со­ вершают только колебательные движения с крайне малой ам­ плитудой около неподвижных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют свою форму, обладают жесткостью и механической прочностью. Вместе с тем кристаллическое твер­ дое тело характеризуется дальним порядком, распространяю­ щимся на много атомных диаметров. Если внутреннюю энергию кристаллического твердого тела повысить путем нагревания, то при определенной для данного давления температуре оно

в газообразное состояние. Дальнейшее возрастание внутренней энергии приведет к испарению материала. При заданной тем­ пературе газ или пар данного вещества находится в равновесии с его твердой фазой при определенном давлении. Таким об­ разом, если говорить о внутренней энергии того или иного ве­ щества, то его внутренняя энергия в газообразном состоянии больше, чем в жидком, а в жидком больше, чем в твердом состоянии.

Есть еще один класс материалов, часто называемых аморф­ ными твердыми веществами (стекла, воск, смолы); у них столь большая вязкость, что они ведут себя практически подобно твердым телам. Такие материалы не обладают характерными температурами плавления и, подобно жидкостям, отличаются наличием ближнего порядка. Такие вещества часто удобно трак­ товать как переохлажденные жидкости.

На фиг. 1.1 схематически изображено строение газа, жид­ кости и твердого тела. Аморфные вещества имеют такое же строение, как и жидкости. Представление о разнице между кристаллическим твердым телом и жидкостью поможет соста-

фаз калия. В кристалле высокая степень упорядочения наблю­ дается даже на расстояниях между атомами, превосходящих

I

3 W

занимают промежуточное место между жидкостями и кристал­ лами. Такие вещества обладают текучестью подобно жидкостям, но в отличие от истинных жидкостей они изотропны не по всем своим свойствам. Один способ трактовки жидких кристаллов состоит в том, чтобы рассматривать последние как обладающие одноили самое большее двумерным упорядочением, в то время как для истинных кристаллов характерен порядок во всех трех измерениях.

Остановимся вкратце на природе упорядоченного располо­ жения атомов в кристалле. Подробнее с этой стороной дела можно ознакомиться по учебникам Бюргера [3] или Липсона и Кокрена [4]. Кристалл можно охарактеризовать, описав распо­ ложение или распределение образующих его атомов. Их рас­ положение часто описывают посредством понятия элементарной

но охарактеризовать порядок расположения всех атомов в кри­ сталле. Повторную трансляцию как движение определенного рода можно охарактеризовать неким вектором. За начало век­ тора, описывающего трансляцию, можно выбрать любую точку внутри кристалла, удобную для решения поставленной задачи.

ления точек в пространстве. Такое изображение представляет собой точечную пространственную решетку. Сетку, или линей­ ную решетку, можно охарактеризовать, указав длину и на­ правление трех основных линий сетки, т. е. размеры, или пе­

мыслимо лишь строго определенное число всевозможных раз­ мещений точек в пространстве, или атомов в кристалле. Такие

Как оказалось, кристаллы удобно описывать, пользуясь ме­ тодами аналитической геометрии и выбирая оси, называемые кристаллографическими (показаны на фиг. 1.3 пунктирными линиями). Оси обычно направляют по ребрам элементарной ячейки. Разработаны разные способы выражения положения пе­ ресечения плоскостей кристалла с кристаллографическими осями. Самым универсальным из них надо признать систему Миллера. Миллеровские индексы плоскости представляют собой числа,

4 ) Таким образом, положение плоскости во всех системах, кроме гекса­ гональной, задается тремя индексами. В гексагональной же системе исполь­ зуют четыре индекса, хотя уже трех достаточно для однозначной идентифи­ кации конкретной плоскости. Дополнительный индекс часто обозначают точ­ кой. Таким образом, обозначение (1120) эквивалентно символу (11-0).

зерна в которых выявлены травлением. В случае неорганиче­ ских окислов и солей такие поликристаллические материалы обычно называют керамикой.

Главная задача настоящей книги состоит в том, чтобы рас­ смотреть и обсудить способы выращивания монокристаллов. Трудно дать точное определение того, что надо разуметь под

и выделенный из него, либо специально выращенный. Такой кристаллит должен иметь достаточные размеры, чтобы пред­ ставлять эстетическую, техническую или научную ценность. Нас же здесь интересуют специально выращенные монокристаллы размером не менее 1 мм3 , поскольку такая величина есть нижний

методов, используемых для выявления кристалличности мате­ риала. Такие исследования предполагают определение характе­ ра и концентрации несовершенств (дефектов) в кристаллах. Эта область знаний (охватывающая также изучение некристал­ лических и поликристаллических материалов) становится в настоящее время самостоятельной дисциплиной, называемой ха-

кой цели используются самые разнообразные методы. В осталь­

брать на себя все больше и больше ответственности за поло­ жение дел с «характеризацией». Последняя не сводится, напри­ мер, просто к измерению проводимости и подвижности в полу­ проводнике, как бы ни были важны эти параметры с точки зре­ ния потребителя кристаллов и в приборах и для понимания физических основ поведения материала. При характеризации ма­ териала, т. е. идентификации и определении положения обра­ зующих его атомов, подобные измерения важны в совокупности

') Вопросы характеризации материалов рассматриваются в книге [89], подготовленной к печати Комиссией по характеризации материалов Нацио­