Монокристалл

отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией (См. Анизотропия) свойств (см. Кристаллы). Внешняя форма М. Обусловлена его атомнокристаллической структурой и условиями кристаллизации (См. Кристаллизация). Часто М. Приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных М. Могут служить М. Кварца, каменной соли (См. Каменная соль), исландского шпата (См. Исландский шпат), Алмаза, Топаза. От М. Отличают Поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких М. М. Ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, Флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн, Кварц — пьезоэлектрик (см.

Пьезоэлектричество). М. Способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). Поэтому изделия и элементы, изготовленные из М., применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике (См. Квантовая электроника), акустике, вычислительной 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 синтетических 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 следующие методы выращивания М. Из расплава. А) Стокбаргера. Б) Чохральского. В) Вернейля. Г) зонной плавки (См. Зонная плавка). В методе Стокбаргера тигель с расплавом 1 перемещают вдоль печи 3 в вертикальном направлении со скоростью 1—20 мм/ч (рис. 1). Температура в плоскости диафрагмы 6 поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Т. К. Тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней М. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных М.

Флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др. В методе Чохральского М. Медленно вытягивается из расплава (рис. 2). Скорость вытягивания 1—20 мм/ч. Метод позволяет получать М. Заданной кристаллографической 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, который используется для производства полупроводниковых М. Метод Вернейля бестигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2—100 мкм) из бункера 1 (рис. 3) через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного монокристалла 2, медленно опускающегося с помощью механизма 5.

Метод Вернейля — основной промышленный метод производства тугоплавких М. Рубина, шпинелей (См. Шпинели), Рутила и др. В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают М. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых М. (В. Дж. Пфанн, 1927), а также тугоплавких металлический М. Молибден, Вольфрам и др. 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 котором создаётся пересыщение, необходимое для роста кристаллов 2 путём медленного снижения температуры, реже испарением растворителя (рис.

4). Этот метод используется для получения крупных М. Сегнетовой соли, дигидрофосфата калия (KDP), нафталина и др. Высокотемпературный кристаллизатор (рис. 5) содержит тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация). Метод применяется для получения М. Железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых плёнок. Гидротермальный синтез М. Основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры. Необходимые для образования М. Концентрация вещества в растворе и пересыщение создаются за счёт высокого давления (до 300 Мн/м2 или 3000 кгс/см2) и перепадом температуры между верхней (T1 Монокристалл 250°C) и нижней (Т2 Монокристалл 500 °С) частями автоклава (рис.

6). Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства М. Кварца. Методы выращивания М. Из газообразного вещества. Испарение исходного вещества в вакууме с последующим осаждением пара на кристалл, причём осаждение поддерживается определённым перепадом температуры Т (рис. 7, а). Испарение в газе (обычно инертном), перенос кристаллизуемого вещества осуществляется направленным потоком газа (рис. 7, б). Осаждение продуктов химических реакций, происходящих на поверхности затравочного М. (рис. 7, в). Метод кристаллизации из газовой фазы широко используется для получения монокристальных плёнок и микрокристаллов для интегральных схем (См. Интегральная схема) и др.

Целей. Выбор метода выращивания М. Определяется требованием к качеству М. (количество и характер присущих М. Дефектов). Различают макроскопические дефекты (инородные включения, блоки, напряжения) и микроскопические (Дислокации, примеси, вакансии (См. Вакансия). См. Дефекты в кристаллах). Существуют специальные 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. Бакли Г., Рост кристаллов, пер. С англ., М., 1954. Лодиз Р. А., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. С англ., М., 1973. Маллин Дж., Кристаллизация, пер.

С англ., М., 1966. Шубников 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. Х. С. Багдасаров. Рис. 1. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Стокбаргера. 1 — тигель с расплавом. 2 — кристалл. 3 — печь. 4 — холодильник. 5 — термопара. 6 — диафрагма. Рис. 2. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Чохральского. 1 — тигель с расплавом. 2 — кристалл. 3 — печь. 4 — холодильник. 5 — механизм вытягивания. Рис. 3. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Вернейля. 1 — бункер. 2 — кристалл. 3 — печь. 4 — свеча. 5 — механизм опускания. 6 — механизм встряхивания.

Рис. 4. Схема низкотемпературного кристаллизатора. 1 — раствор. 2 — кристалл. 3 — печь. 4 — термостат. 5 — мешалка. 6 — контактный термометр. 7 — терморегулятор. Рис. 5. Схема высокотемпературного кристаллизатора. 1 — раствор. 2 — кристалл. 3 — печь. 4 — тигель. Рис. 6. Схема автоклава для гидротермального синтеза. 1 — раствор. 2 — кристалл. 3 — печь. 4 — вещество для кристаллизации. Рис. 7. Схема установки для кристаллизации из газовой фазы. Пунктиром показано распределение температуры вдоль печи..