Методы выращивания кристаллов

Методы выращивания кристаллов

Подготовила презентацию: Клименко О. А.

План:

Введение
1 Выращивание монокристаллов из расплавов
1.1 Метод Чохральского
1.2 Метод Вернейля
2 Выращивание монокристаллов из растворов
2.1 Кристализация при испарении растворителя
2.2 Кристализация с условиях встречной диффузии
3 Выращивание монокристаллов из газовой фазы
3.1 Химические реакции в газовой фазе
3.2 Химические транспортные реакции
4 Кристаллизация из твердой фазы
4.1 Рекристаллизация
4.2 Кристаллизация алмаза
Заключение

Введение


Условия − это, прежде всего, движущая сила кристаллизации и поведение ее во времени, которое определяет скорость выращивания кристалла и степень ее стабилизации, форму фронта кристаллизации; это исходная шихта, величина и время перегрева расплава (раствора), характер и скорость его перемешивания, природа атмосферы кристаллизации, ориентировка затравочного кристалла.

Рис. 1. Приборы для выращивания монокристаллов Наккена (а), Штёбера (б) и Бреннера (в)

Уравнение теплового баланса:


где Q1 — подводимое тепло, g — вес вещества, Qплg — скрытая теплота кристаллизации.

Рис. 2. Выращивания монокристаллов из расплавов

Рис. 3. Приготовление затравки с помощью капиллярной трубки

Рис. 4. Выращивание кристаллов из расплава. Метод Чохральского

Рис. 5. Начальная стадия выращивания цилиндрической части монокристалла кремния в направлении (100)

Преимущества:

нет контакта между стенками тигля и кристаллом, что способствует получению чистых камней;
возможность изменения геометрической формы кристалла;
получение кристалла большого размера.

Недостатки:
неидеальная однородность роста кристалла от центра к краям;
высокая стоимость метода (из-за необходимости использования дорогостоящих сопутствующих материалов).

Рис. 6. Установка для выращивания кристаллов по методу Вернейля:1 - механизм опускания кристалла; 2 – кристаллодержатель; 3 - растущий кристалл; 4 – муфель; 5 – горелка; 6 – бункер; 7 - механизм встряхивания; 8 – катетометр.

В новой конструкции аппарата Попова разработана точно регулируемая подача шихты. Методом Вернейля—Попова выращивают:
сапфиры, двухцветные сапфиры;
рубины;
корунды нехарактерных цветов;
шпинель;
фабулит;
рутил.

Рис. 7. Выращенные синтетические драгоценные камни методом Вернейля

Преимущества метода:

отсутствие флюсов и дорогостоящих материалов тиглей;
отсутствие необходимости точного контроля температуры;
возможность контроля за ростом;
высокая скорость роста (несколько часов).
Недостатки:

нарушения и деформация кристаллической решётки;
внутренние напряжения в булях;
неоднородность состава;
неравномерная окраска;
наличие посторонних примесей и частиц нерасплавившейся шихты.


Все методы выращивания монокристаллов из растворов основаны на использовании зависимости концентрации С вещества в растворе от термодинамических параметров, определяющих состояние системы
𝐶𝐶=𝑓𝑓(𝑝𝑝,𝑇𝑇, с ′ с с ′ ′ с ′ ),
где с'— концентрация вспомогательных веществ, которые в случае многокомпонентной системы могут находиться в растворе. Величиной пересыщения можно управлять, изменяя по уравнению концентрацию С. В зависимости от того, какой параметр (T, р или с') определяет изменение концентрации С.

Рис. 8. Выращивание монокристаллов из растворов

Рис. 9. Диаграмма фазового равновесия сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях. Диаграммы такого типа имеют системы: Ni−Cu, Ag − Au, Mo − V, Mo − W.

Рис. 11. Схема термостатированного кристаллизатора:
1 − сифон;
2 − титановая ось;
3 − цанговые зажимы;
4 − стержневые затравки;
5 − стеклянный шариковый холодильник;
6 − ложное дно.

Рис. 10. Выпарной кристаллизатор с выносной греющей камерой:
1 − греющая камера;
2 − сепаратор;
3 − циркулярная труба;
4 − отделитель кристаллов.

Рис. 12. Кристаллы сульфата лития.

где Q − количество конденсата, сливаемого за сутки (в см);
S − суммарная площадь форм (в см);
𝜆𝜆 − скорость роста кристаллов по нормали к растущей грани (в см);
d − удельный вес кристалла;
С − растворимость сульфата лития (в г/л) при температуре выращивания.

Скорость выращивания кристаллов регулируется количеством сливаемого конденсата. После завершения периода регенерации затравок слив конденсата остается постоянным, так как площадь растущих поверхностей не меняется в продолжение всего цикла выращивания. Скорость выращивания, равная 1.5-2 мм/сут, рассчитывается по формуле

Рис. 13. Затравка кристалла

Рис. 14. Обрастание кристаллом затравки и нити

Пересыщение создается за счет химической реакции в условиях встречной диффузии веществ, если растворимость образующегося вещества меньше растворимости исходных веществ. К таким реакциям можно отнести, например,

Рис. 15. Кристаллизатор для выращивания кристаллов по химической реакции с пространственно разобщенным камерами с исходными веществами:
1 − образовавшиеся кристаллы; 2 − пробка.

Рис. 16. Демонстрация работы манометра

Рис. 17. Выращивание кристаллов из циркулирующего раствора:
А и В − сообщающиеся сосуды.

Рис. 18. Выращивание кристаллов из газовой фазы

Монокристаллические пленки вольфрама получают за счет восстановления его галогенидов:

Рис. 19. Демонстрация реакций в газовой фазе

Рис. 20. Летучие бинарные соединения водорода

Рис. 21. Процесс производства интегральных схем

Рис. 22. Схема установки для процесса эпитаксии пластин кремния

Рис. 23. График кристаллизации

Рис. 24. Стадии фазового перехода твердого тела в жидкость при нагревании