Химическая энциклопедия - монокристаллов выращивание

проводят разл. методами, обеспечивающими получение индивидуальных кристаллов заданного размера, формы и дефектности. При М. в. заранее полученные мелкие кристаллы (затравку) помещают в пересыщ. среду (пар, р-р, расплав, твердое в-во) и выдерживают там до укрупнения затравки. Пересыщение и т-ру среды поддерживают такими, чтобы затравка росла со скоростью 10^-710^-1 мм/с без спонтанного образования центров кристаллизации с сохранением морфологич. устойчивости (см. Кристаллизация). Монокристалличность выросших кристаллов проверяют методом рентгеноструктур-ного анализа. Иногда в качестве затравки используют кристаллы, образовавшиеся в пересыщ. среде в начале выдержки (самозатравка). Из пара проводят М. в. в-в, летучих или образующих летучие соед. при т-ре кристаллизации, а также продуктов их взаимод. или термич. разложения, из р-ра -хорошо растворимых в-в и продуктов их взаимод., из расплава конгруэнтно плавящихся в-в, из твердой фазы-тугоплавких и коррозионноактивных в-в.

Выращивание из пара. Исходное поликристаллич. или аморфное в-во помещают в источник пара (питатель) и нагревают до испарения. Пары в-ва из источника диффундируют или переносятся с потоком газа-носителя в зону, где находится затравка, охлажденная относительно источника (м е т о д д е с у б л и м а ц и и). В качестве источника используют также в-ва, при разложении к-рых на затравке образуется кристаллизующееся в-во. Затравку при этом нагревают до т-ры. при к-рой разложение исходного в-ва происходит с достаточной скоростью (м е т о д в а н А р к е л а и д е Б у р а). Иногда в пар вводят реагенты, к-рые взаимод. на пов-сти затравки с образованием кристаллизующегося в-ва (м е т о д х и м. к р и с т а л л и з а ц и и, см. Химическое осаждение из газовой фазы). Если в-во является нелетучим, но образует летучие термически неустойчивые соед. с к.-л. другим в-вом (транспортирующим реагентом), то М. в. проводят методом х и м. т р а н с п о р т а. При этом источник и затравку помещают в пары транспортирующего реагента, а затравку нагревают относительно источника; в результате в источнике образуется летучее соед., к-рое переносится к затравке, где разлагается с регенерацией транспортирующего реагента (см. Химические транспортные реакции). Монокристал-лич. пленки (напр., Ge) получают конденсацией мол. пучков на пов-сти затравки (м е т о д В е к ш и н с к о г о).

Нитевидные кристаллы ("усы") выращивают т. наз. ПЖК-м е т о д о м. При этом на пов-сть затравочного кристалла перед его контактом с паром (П) наносят капли жидкости (Ж), хорошо растворяющей кристаллизующееся в-во и не растекающейся по кристаллу (К). Каждая капля поглощает в-во из пара, становится пересыщенной и обеспечивает рост той части кристалла, к-рая смочена ею; если рост из капли идет быстрее, чем из пара, то под каплей вырастает нитевидный кристалл, сечение к-рого близко к диаметру капли. ПЖК-методом получают, напр., кристаллы Si, Ge (р-ритель-расплав Аu) и SiC (р-ритель-расплав Аl) размером 1 х 200 мкм; методом хим. транспорта-соед. типа A^IIIB^V размером до 5 см (транспортирующие реагенты-I2, Сl2, летучие хлориды); методом хим. кристаллизации-SiC и TiBr2 размером до 0,5 см с малым кол-вом дефектов; методом ван Аркела и де Бура кристаллы особо чистых тугоплавких металлов (Cd, Zn, Co); методом десублимации металлов (W, Та, Nb), неорг. солей (LiF, MgF2, СuСl2) и орг. в-в (антрацена и уротропина) разного размера.

Выращивание из расплава. Контейнер с расплавом и затравкой охлаждают так, чтобы затравка всегда была холоднее расплава, но переохлаждение на ее пов-сти было невелико и затравка росла без дендритообразования или появления "паразитных" кристаллов. Этого достигают разными способами: меняя т-ру нагревателя (м е т о д С т р о н-г а-Ш т е б е р а), перемещая нагреватель относительно контейнера (м е т о д Б р и д ж м е н а-С т о к б а р г е р а), размещая затравку на неподвижном охлаждаемом стержне (м е т о д Н а к к е н а), вытягивая затравку из расплава по мере роста кристалла без вращения (м е т о д К и р о п у л о с а) или с вращением (м е т о д Ч о х р а л ь с к о г о). Затравке или щели, из к-рой вытягивают кристалл, иногда придают спец. форму, выращивая кристаллы разного профиля (м е т о д С т е п ан о в а). Особенно широко распространен метод Чохральского, при к-ром затравку закрепляют на охлаждаемом стержне, опускают в расплав, а затем вытягивают из расплава при непрерывном вращении стержня. Метод используют для пром. получения металлич. и полупроводниковых кристаллов размером 1-50 см с регулированием их качества (дефектности) путем изменения скоростей вращения и вытягивания затравки. Иногда, не вводя затравки, контейнер локально охлаждают, напр. потоком воздуха, добиваясь образования самозатравки на наиб. холодном месте и ее направленного роста (м е т о д О б р е и м о в а-Ш у б н и к о в а).

При получении сверхчистых монокристаллов затравку вытягивают из расплавленной части слитка кристаллизующегося в-ва, а нерасплавленная часть слитка играет роль контейнера (б е с т и г е л ь н ы й м е т о д). В м е т о д е з о н н о й п л а в к и контейнер нагревают так, что формируется узкая зона расплава у пов-сти затравки.

В широко распространенном м е т о д е В е р н е й л я порошок кристаллизующегося в-ва высыпают из бункера на пов-сть затравки, помещенной под пламенем горелки или газового разряда; проходя через пламя, частицы порошка плавятся и в виде капель достигают пов-сти затравки, где закристаллизовываются.

Методы Стронга Штёбера и Наккена чаще всего используют для выращивания крупногабаритных кристаллов легкоплавких орг. в-в (нафталина размером 20-50 см, бифта-лата калия размером 1-20 см); методы Бриджмена-Стокбаргера и Киропулоса кристаллов неорг. солей (NaCl и КСl размером 20-90 см); методы Чохральского и зонной плавки кристаллов металлов и полупроводников (Ge, Si, GdAs, ZnAs размером 1-50 см); метод Степанова-металлич. кристаллов сложной формы (труб из Аl и лопаток турбин размером до 1 м); метод Вернейля тугоплавких оксидов и солей, легированных примесями (корунда и рубина в виде стержней длиной до 3 м).

Выращивание из жидкого раствора. Методы применяют для в-в, хорошо р-римых при т-ре выращивания. Затравку закрепляют на неподвижном или вращающемся кристал-лоносце и помещают в насыщ. р-р, после чего р-р охлаждают, испаряют р-ритель или добавляют высаливающий агент (см. Высаливаниe). Иногда р-р подпитывают кристаллизующимся в-вом, для чего организуют циркуляцию р-ра между нагретой зоной растворения, где находятся подпитывающие кристаллы, и холодной зоной роста, где расположена затравка (м е т о д т е м п е р а т у р н о г о п е р е п а д а).