вирощування монокристалів [19, 24] можливо як з використанням монокристалічних ж запалів так і спонтанно. Зростання кристалів на затравки однойменного матеріалу називають гомоепітаксіальним, на інших відповідних за кристаллографическим параметрам поверхнях - гетероепітаксіі. До основних методів віднесемо наступні: 10.1 Вирощування з розчину в розплаві (спонтанна кристалізація) Як легкоплавких флюсів використовують зазвичай PbO (886oC), PbF2 (824), B2O3 (450), Bi2O3 (817), V2O5 (670) і ін. Кристалізація відбувається при охолодженні нижче точки насичення. Основними перевагами методу є те, що кристалізацію можна проводити значно нижча за температуру плавлення одержуваного матеріалу. Недоліки: забруднення елементами флюсу, необхідність в дуже точному регулюванні температури, використання дорогих платинових і ін. Матеріалів тиглів.
До флюсів ставляться такі вимоги: вони не повинні бути летючими і токсичними, по можливості мінімально входити до складу монокристалів (якщо не є їх компонентами), повинна бути помірна в'язкість розплавів.
Наприклад, для вирощування кристалів феррогранатов (ЖИГ) беруть шихту, що містить в Мольн. %: 10 Y2O3, 20,4 Fe2O3, 36,8 PbO 27,1 PbF2, 5,5 B2O3. Склад кристалізується цільового продукту Y3Fe5O12 не відповідає по співвідношенню концентрації основних компонентів складу розплаву, як і в разі кристалізації феритових кристалів з розчину, який був розглянутий нами вище. Процеси зростання монокристалів при реалізації їх технології підкоряються, власне кажучи, тим же основним термодинамічних і кінетичних закономірностей, що і синтез порошкових і плівкових матеріалів. Так найважливішим фактором є високотемпературна фазову діаграму компонентів шихти в області ликвидуса і солідусу. Зростання кристалів протікає через виникнення зародків, які можуть в залежності від температури і хімічних потенціалів компонентів розчинятися або рости далі, тобто можуть володіти критичними розмірами і т.д.
За цим варіантом температура витримки розплаву 1250-1300оС (15 годин), швидкість охолодження після цього до кристалізації 0,3-0,5 град / год. Кристалізацію припиняють при 950-1000оС і видаляють залишився розплав, отримані кристали очищають шляхом кип'ятіння в азотній кислоті. Швидкість обертання тигля при вирощуванні 20 об / хв, обертання здійснюють 15 з в одну сторону і 15 з в іншу з 5-секундною паузою.
10.2 Метод Вернейля
Метод Вернейля реалізується шляхом просипка маленьких порцій порошкової шихти в трубчасту піч, де ця шихта розплавляється під час падіння в киснево-водневому полум'я і живить краплю розплаву на поверхні затравки. Запал при цьому витягується поступово вниз, а крапля перебуває на одному і тому ж рівні по висоті печі. Переваги даного методу: відсутність флюсів і дорогих матеріалів тиглів; відсутність необхідності точного контролю температури; можливість контролю за зростанням монокристалла. Недоліки: через високу температуру росту кристали мають внутрішні напруження; стехіометрії складу може порушуватися внаслідок відновлення компонентів воднем і випаровування летючих речовин. Швидкість вирощування - кілька мм / год.
Схема установки для вирощування монокристалів по методу Вернейля:
1 - механізм опускання кристала,
2 - крісталлодержателя,
3 - зростаючий кристал
4 - муфель, 5 - пальник, 6 - бункер,
7 - механізм струшування,
8 - катетометри.
10.3 Метод Бриджмена
Метод Бриджмена - зароджуються в нижній частині тигля з розплавом монокристали служать запалом. Тигель опускається в більш холодну зону печі. Нижня частина тигля - конічна. Швидкість вирощування - також кілька мм / год.
10.4 Метод Чохральського
За методом Чохральського виробляють витягування вгору на приманку монокристала з ванни з розплавом. Нагрівання зазвичай здійснюють за допомогою СВЧ випромінювання. Для зняття виникаючих напруг використовують додаткову піч, через яку проходить тут вирощували кристал і віджигається.
10.5 Метод зонного плавлення
Зонна плавка полягає в прогоні зони розплаву по довжині заготовки монокристалла, одночасно в зоні розплаву концентруються домішки і відбувається очищення кристала, кінцеву частину якого потім видаляють. Нагрівання здійснюється індукційним, радіаційно-оптичних або інших методом. Швидкість вирощування по методам 4 і 5 близька до такої для 2 і 3 методів. При реалізації трьох останніх способів необхідно регулювання газового середовища вирощування.
10.6 гідротермальної вирощування
Вихідні оксиди або готовий складний оксид розчиняють у водних розчинах кислот або лугів для реалізації гидротермального методу. Вирощування проводять в автоклавах із захисними корозійностійким вкладишами, наприклад, для феритів при 375-725оС і тиску 1800-2000 атм. Через різницю температур у верхній і нижній зонах автоклава вгорі виділяється кристал. Швидкість вирощування - від часткою мм до декількох мм на добу. Вирощувані монокристали зазвичай мають високу якість і характерну кристалографічну огранювання, тому що ростуть в умовах більш-менш близьких до рівноважних.
10.7 Метод твердофазной рекристалізації
Для вирощування кристалів шляхом твердофазной рекристалізації призводять до зіткнення керамічну заготовку і монокристалічних приманку, між ними іноді поміщають речовина, що ініціює процес рекристалізації, зокрема, при отриманні феритових кристалів - оксид заліза (тонкий шар). Якщо швидкість рекристалізації перевищує швидкість виходу пір на поверхню, що отримується кристал може бути досить пористим.
Після отримання монокристалів їх точно орієнтують в просторі і піддають механічній обробці: різанні, шліфування, полірування. Наприклад, монокристали ІК-оптики типу ВРХ (галогеніди талія) обробляють зважаючи на їх невеликій твердості на токарних верстатах в спеціальних захисних боксах. На монокристали наносять захисні покриття і при необхідності шари матеріалів різного функціонального призначення.
г
А.А. Oстроушко, Ю.В.Могільніков 1998 р
