2.Рост кристаллов из расплава. Метод Чохральского.

Выращивать кристаллы в однокомпонентной системе по многим причинам предпочитают из расплава. По существу такое выращивание представляет собой контролируемую кристаллизацию, т.е. более простой и легче управляемый процесс, нежели другие методы выращивания. Однако многие вещества не удается выращивать из их собственных чистых расплавов. Это объясняется тем, что:

1)материал разлагается еще до плавления – инконгруэнтное плавление ( с изменением химического состава). 2) вещество очень сильно возгоняется. 3) нужная полиморфная модификация вещества структурно неустойчива при взаимодействии с расплавом. 4) очень высокая тем-ра плавления 5) условия выращивания кристалла не допускают введения в его состав активаторов.

Разделение систем на одно- и многокомпонентные применительно к выращиванию из расплава в некоторых граничных случаях несколько условно Поэтому под выращиванием в многокомпонентных системах подразумевается рост, когда второй компонент вводится специально с целью снижения температуры плавления кристаллизуемого материала.

Метод Чохральского.

Метод вытягивания из расплава. Позволяет устранить механическое влияние тигля на выращиваемый кристалл. Недостаток – необходимость в тигле, который часто является источником загрязнений. Необходимые условия:

1)кристалл (или кристалл с активатором) должен плавится конгруэнтно, без разложения; 2) кристалл не должен реагировать с тиглем и атмосферой, установившейся в процессе вытягивания; 3) температура плавления кристалла должна быть достижима с помощью используемых нагревателей и должна быть ниже температуры плавления тигля; 5) аппаратура должна обеспечить регулирование скорости вытягивания в соответствии с градиентами температуры в зоне образования монокристалла.

Преимущество: возможность наращивания на затравку в строго контролируемых условиях. Строгий контроль возможен потому, что затравка и выращенный кристалл видны во время выращивания, так что можно визуально наблюдать за процессом роста и корректировать его. При наличии ориентированных затравок легко осуществить выращивание в любом заданном направлении. Если нет затравки, легко вызвать спонтанное зарождение на проволоке.

Близким является метод Киропулоса. В расплав, находящийся в соответствующем тигле, вводится затравка. Но затравку не вытягивают из расплава, а кристалл растет на затравке за счет того, что изотерма, соответствующая температуре плавления вещества, перемещается от затравки вниз по тиглю. Это часто достигается простым охлаждением затравки через держатель, который обеспечивает большой теплоотвод с поверхности. В другом варианте метода тигель перемещается в зоне температурного градиента или снижается температура печи, создающей соответствующий температурный градиент вблизи затравки. Отличия от метода Чохральского: 1) более пригоден для выращивания кристаллов с большим отношением диаметра к высоте; 2) труднее контролировать направление роста и размер кристаллов; 3) проще оборудование.

Основные средства нагрева – индукционный нагрев и нагреватели сопротивления. Для индукционного нагрева требуется либо достаточно высокая проводимость расплава или тигля, чтобы обеспечить индукционную связь с высокочастотным полем, либо приемник индукционных токов для связи с высокочастотным полем. Тигли изготавливают из плавленого кварци, графита и благородных металлов.

Для получения кристаллов с низкой концентрацией дефектов нужно, чтобы граница раздела расплава с кристаллом была плоской на протяжении всего процесса выращивания. Максимальная скорость вытяжки по методу Чохральского:

Ρ-плотность твердой фазы, L – длина, К-коэффициент теплопроводности, dT/dx – температурный градиент (зависит от вещества и требуемых качеств кристалла). Кроме теплообмена на границе происходит еще и массообмен. Чтобы уменьшить влияние массообмена (появление примесей) используют вращение заготовки вокруг своей оси.