МОНОКРИСТАЛЛ

МОНОКРИСТАЛЛ отдельный однородный
кристалл, имеющий непрерывную кристаллич. решётку и характеризующийся анизотропией
свойств
(см. Кристаллы). Внешняя форма М. обусловлена его атомнокристаллич.
структурой и условиями кристаллизации. Часто М. приобретает хорошо
выраженную естеств. огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка
проявляется слабо. Примерами огранённых природных М. могут служить М. кварца,
каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От М. отличают поликристаллы.
и
поликристаллич. агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных
мелких М.

М. ценны как материал, обладающий особыми
физ. свойствами. Напр., алмаз и боразон предельно тверды, флюорит прозрачен
для широкого диапазона длин волн, кварц - пьезоэлектрик (см. Пьезоэлектричество).
М.
способны менять свои свойства под влиянием внеш. воздействий (света, механич.
напряжений, электрич. и магнитного полей, радиации, темп-ры, давления).
Поэтому изделия и элементы, изготовленные из М., применяются в качестве
различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике,
акустике,
вычислит, технике и др. Первоначально в технике использовались природные
М., однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко.
В то же время многие ценные свойства были найдены только у синтетич. кристаллов.
Поэтому появилась необходимость искусственного выращивания М. Исходное
вещество для выращивания М. может быть в твёрдом (в частности, в порошкообразном),
жидком (расплавы и растворы) и газообразном состояниях.

Известны след, методы выращивания М. из
расплава: а) Стокбаргера; б) Чох-ральского; в) Вернейля; г) зонной плавки.
В
методе Стокбаргера тигель с расплавом. 1 перемещают вдоль печи 3
в
вертикальном направлении со скоростью 1-20 мм/ч (рис. 1). Темп-pa
в плоскости диафрагмы 6 поддерживается равной темп-ре кристаллизации
вещества. Т. к. тигель имеет конич. дно, то при его медленном спускании
расплав в конусе оказывается при темп-ре ниже темп-ры кристаллизации, и
в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из к-рых
в дальнейшем благодаря геометрич. отбору выживает лишь один. Отбор связан
гл. обр. с анизотропией скоростей роста граней М. Этот метод широко используется
в пром. произ-ве крупных М. флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия
и др.

Рис. 1. Схема аппарата для выращивания
монокристаллов по методу Стокбаргера: 1 - тигель с расплавом; 2
-
кристалл; 3 - печь; 4 - холодильник; 5 - термопара;
6
- диафрагма.

В методе Чохральского М. медленно вытягивается
из расплава (рис. 2). Скорость вытягивания 1-20 мм/ч. Метод позволяет
получать М. заданной кристал-лографич. ориентации. Метод Чохральского применяется
при выращивании М. иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых
М. А.В. Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания
М. с сечением заданной формы, к-рый используется для произ-ва полупроводниковых
М.

Метод Вернейля бестигельный. Вещество в
виде порошка (размер частиц 2-100 мкм) из бункера / (рис. 3) через
кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного
монокристалла 2, медленно опускающегося с помощью механизма 5. Метод
Вер-нейля - основной пром. метод произ-ва тугоплавких М.: рубина, шпинелей,
рутила и др.

Рис. 2. Схема аппарата для выращивания
монокристаллов по методу Чохральского: 1 - тигель с расплавом; 2
-кристалл; 3-печь; 4
- холодильник; 5 - механизм вытягивания.

В методе зонной плавки создаётся весьма
ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному
проплавлению всего слитка получают М. Метод зонного проплавле-ния получил
широкое распространение в произ-ве полупроводниковых М. (В. Дж. Пфанн,
1927), а также тугоплавких металлич. М. молибден, вольфрам и др.

Рис. 3. Схема аппарата для выращивания
монокристаллов по методу Вернейля: 1 - бункер; 2 - кристалл;
3
- печь; 4 - свеча; 5 - механизм опускания; 6 - механизм
встряхивания.

Методы выращивания из раствора включают
3 способа: низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.),
высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) И гидротермальный.
Низкотемпературный кристаллизатор представляет собой сосуд с раствором
1,
в
к-ром создаётся пересыщение, необходимое для роста кристаллов
2
путём
медленного снижения темп-ры, реже испарением растворителя (рис. 4). Этот
метод используется для получения крупных М. сегнетовой соли, дигидрофосфата
калия (KDP), нафталина и др.

Рис. 4. Схема низкотемпературного кристаллизатора:
1
- раствор; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - термостат; 5 - мешалка;
6
- контактный термометр; 7 - терморегулятор.

Высокотемпературный кристаллизатор (рис.
5)
содержит
тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещённый в печь.
Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении
темп-ры (р а с-твор-расплавная кристал-л и з а ц и я). Метод применяется
для получения М. железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых
плёнок.

Рис. 5. Схема высокотемпературного кристаллизатора:
1
- раствор; 2-кристалл; 3 -печь; 4 - тигель.

Гидротермальный синтез М. основан на зависимости
раство-рим ости вещества в водных растворах кислот и щелочей от 2 давления
и температуры. Необходимые для образования М. концентрация вещества в растворе
и пересыщение создаются за счёт высокого давления (до 300 Мн/м²или
3000 кгс/сл²) и перепадов темп-ры между верхней (Т1250°С) нижней
(Т2500 °С) частями автоклав (рис. 6). Перенос вещества осуществляете конвективным
перемешиванием. Гидротермальный синтез является осн. процессом произ-ва
М. кварца.

Рис. 6. Схема автоклава для гидротермального
синтеза: 1 - раствор; 2 -кристалл; 3 - печь; 4
-вещество для кристаллизации.

Методы выращивания М. из газообразного
вещества: испарение исходного вещества в вакууме с последующие осаждением
пара на кристалл, причём осаждение поддерживается определённы! перепадом
темп-ры Т (рис. 7,а); испарение в газе (обычно инертном),
перенос кристаллизуемого вещества осуществляет ся направленным потоком
газа (рис. 7, б)осаждение продуктов хим. реакций, прс исходящих
на поверхности затравочног М. (рис. 7,в). Метод кристаллизации и газовой
фазы широко используется для получения монокристальных плёнок и микрокристаллов
для интегральных схем и др. целей.

Рис. 7. Схема установки для кристаллизации
из газовой фазы; пунктиром показано распределение температуры вдоль печи.

Выбор метода выращивания М. определяется
требованием к качеству М. (количество и характер присущих М. дефектов).
Различают макроскопич. дефек ты (инородные включения, блоки, напряжения)
и микроскопические (дислокации примеси, вакансии; см. Дефекты
в кри сталлах).

Существуют спец. методы уменьшения числа
дефектов в М. (отжиг, выращивание М. на бездефектных затравочных кристаллах
и др.).

При выращивании М. используются различные
способы нагревания: омический, высокочастотный, газопламенный реже плазменный,
электроннолучевой, радиационный (в т. ч. лазерный) и электродуговой.

Лит.: Б а к л и Г., Рост кристаллов,
пер с англ., М., 1954; Л о д и з Р. А., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов,
пер с англ., М., 1973; М а л л и н Дж., Кристал лизация, пер. с англ.,
М., 1966; Шубни ков А. В., Образование кристаллов, М.-Л., 1947; его же,
Как растут кристаллы, М.- Л., 1935; Пфанн [В. Дж.], Принципы зонной плавки,
в кн.: Германий, сб. переводов, М., 1955 (Редкие металлы), с. 92. См. также
лит. при ст. Кристаллизация.

X. С. Багдасаров.