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;

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 (Т1~250°С) нижней (Т2~500 °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.

Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

МОНОКУЛЬТУРА →← МОНОКОРУНД

МОНОКРИСТАЛЛ

Синонимы слова "МОНОКРИСТАЛЛ":

Смотреть что такое МОНОКРИСТАЛЛ в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: