Гарнисажный метод выращивания кристаллов

Этот метод заключается в использовании водоохлаждаемого контейнера, который целиком заполняется в начале эксперимента шихтой кристаллизуемого соединения. Слой кристаллизуемого вещества, прилегающий к холодному контейнеру, остается нерасплавленным в процессе роста и является фактически "холодным тиглем". Поддержание устойчивого положения границы расплав-гарнисаж осуществляется путем управления мощностью высокочастотного генератора. Для создания и удержания расплава, поглощающего энергию высокочастотного поля, не­обходимо, чтобы исходное неэлектропроводное вещество было нагрето до температуры, при которой оно приобретает электропроводность, достаточную для эффективного поглощения высокочастотного поля. Наиболее радикальным решением проблемы является создание стар­тового (или затравочного) расплава, т.е. небольшого количества расплава в массе твердой фазы. Условием жизнеспособности стартового расплава, т.е. его способности увеличиваться в объеме, является неравенство

VP>k (T_p-T₀)πD₀² (11.1.17)

где \/ - объем стартового расплава; Р - мощность потребляемая единицей объема расплава; k -коэффициент теплопередачи от расgлава к теплоносителю; Т₀ -температура расплава, Т_p -температура теплоносителя; D₀- диаметр стартового расплава.

Левая часть неравенства представляет собой мощность, выделяющуюся в стартовом расплаве, а правая - мощность, теряемую через поверхность расплава. Теплоту фазового перехода из рассмотрения исключаем, так как расплавление может происходить в принципе коль угодно медленно, тогда условием жизнеспособности расплава является

D>6k/P*(T_p-T₀) (11.1.18)

т.е. начальный диаметр капли расплава превышать некоторый критический D_к.

Как видно из неравенства (11.1.18), критический объем расплава для данного вещества зависит в основном от теплоизолирующих свойств окружающей расплав твердой фазы. Для создания стартового расплава могут быть применены спо­собы.

1. Плавление путем подвода лучистой энергии. Источником излучения могут служить мощные дуговые газоразрядные лампы (например, шаровые ксеноновые лампы сверхвысокого давления), дуга постоянного или переменного тока, мощный лазер. Во всех случаях необходима система, фокусирующая изучение на поверхность расплавляемого вещества. Этот метод может быть применен к любым веществам, так как он является абсолютно чистым.

2. Плавление с помощью факела. Источником факела могут быть газовые (кислородно-водородные, ацетилено-водородные) или плазменные (дуговые, высокочастотные) горелки. Ограничением метода яв­ляется невозможность его использования для веществ, взаимодейст­вующих с исходными газовыми компонентами пламени или с продук­тами его горения,

3. Нагрев и плавление с помощью электрической дуги. В этом случае дуга образуется между электродами, введенными непосредст­венно в расплавляемый материал. Может быть использована дуга как постоянного тока, так и переменного. Электроды могут быть как нагреваемыми (графит, иридий и т.п.), так и холодными (охлаждае­мыми водой или другими теплоносителями). В некоторых случаях фа­кел дуги может находиться не в объеме вещества, а вблизи поверх­ности, расплавляя ее своим излучением. Этот метод может быть применен для создания стартового расплава веществ, не образующих с материалом электродов стойких продуктов взаимодействия.

4. Плавление путем введения в вещество постороннего электропроводного материала - тела нагрева. Телами нагрева могут слу­жить цилиндры (или изделия другой формы) из тугоплавких металлов. После создания стартового расплава, образующегося в месте контак­та с телом нагрева, тело нагрева извлекается из расплавленного материала. Понятно, что тело нагрева не должно образовывать в ус­ловиях эксперимента стойкие загрязняющие соединения с расплавлен­ными веществами.

5. Плавление путем введения в объем расплавляемого вещества металла, входящего в состав этого вещества (алюминия в случае лейкосапфира и рубина, циркония в случае двуокиси циркония и т.д.). Отличие этого метода от предыдущего состоит в том, что тело нагрева после создания стартового расплава остается в расплаве и постепенно переходит в соединение, идентично расплавляемому. В некоторых случаях может быть применен металл, являющийся акти­ватором основного вещества.

Время и скорость создания стартового расплава в случае плавления путем введения в объем расплавляемого вещества металла, входящего а состав этого вещества, можно определить, рассматри­вая задачу о распространении зоны плавления при нагреве диэлект­рика полем высокой частоты. Из теории индукционного нагрева из­вестно, что при данной частоте генератора эффективно нагревается только некоторый цилиндрический объем радиуса R. Считая, что в области лежащей вблизи стартового расплава температура ли­нейно изменяется с расстоянием от центра нагревательного индук­тора, можно предполагать, что в этой области нагрев идет лишь за счет теплопроводности. Этот факт позволяет рассматривать задачу о нагреве некоторого объема, как внутреннюю задачу теплопроводно­сти, для цилиндра радиуса R при наличии внутренних источников, плотность которых зависит от величины расстояния от центра индук­тора.

Метод гарнисажа используется также и в методике направлен­ной кристаллизации путем снижения температуры расплава. При этом образуется крупноблочный слиток, из которого извлекаются отдельные монокристаллы. Большой интерес для выращива­ния совершенных тугоплавких оксидных монокристаллов представля­ет комбинация "холодного тигля" с методикой выращивания по ме­тоду Чохральского, когда с помощью ВЧ—нагрева в медном водоох-лаждаемом контейнере материал доводится до температуры, близ­кой к температуре плавления, и в середину тигля по определенной схеме фокусируется излучение мощных световых источников, с по­мощью которых осуществляется плавление материала, управление температурными полями в зоне кристаллизации и предварительный отжиг выращиваемого кристалла. К недостаткам гарнисажного ме­тода следует, безусловно, отнести наличие значительного перегрева некоторых областей расплава, трудность строгого контроля процесса роста в течение длительного времени.