Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время монокристаллы парателлурита -сс-Те02 - являются, в силу ряда уникальных физических свойств, самым эффективным материалом для многих типов акустооптических устройств, работающих в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн: дефлекторов и модуляторов лазерного излучения, фильтров, анализаторов спектра радиосигналов. Однако до сих пор эти кристаллы не производятся промышленным способом в широких масштабах. Не в последнюю очередь это связано со сложностью технологии выращивания и обработки кристаллов парателлурита и с низкой воспроизводимостью свойств.
Несмотря на публикации об успехах в получении парателлурита высокого оптического качества, в тех же работах обсуждаются проблемы, связанные с повышенным вхождением в кристаллы примесей и пузырьков, с генерацией дислокаций, блочностыо кристаллов. До настоящего времени отсутствовало четкое представление об оптимальном кристаллографическом направлегош роста кристаллов, о закономерностях пространственного распределения дефектов различных размерностей в них, об оптимальных тепловых и кинематических характеристиках процессов роста. В связи с этим не было и надежных критериев качества кристаллов парателлурита. Не исследовалось влияние отжига на поведение дефектой ff кристаллах. 11е делались попытки придания монокристаллам парателлурита новых полезных свойств путем их легирования. Неразрешенность этих и близких к ним вопросов определяет актуальность темы настоящей работы.
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния условий роста монокристаллов парателлурита на образование и распределение в них дефектов структуры различного рода: примесей, дислокаций, "газовых пузырьков, термоупругих напряжений; создание технологий, обеспечивающих максимальное структурное совершенство кристаллов или равномерное вхождение легирующих добавок в случае необходимости придания кристаллам специальных свойств; разработка методов оценки оптического качества материала.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи исследования:
Теоретическое и экспериментальное определение сингулярных граней и особой сингулярной грани монокристаллов парателлурита.
Анализ влияния ростовых условий на формирование сингулярных граней монокристаллов парателлурита.
Установление связи между распределением дефектов и развитием сингулярных граней в процессе роста кристаллов.
Изучение влияния гидродинамики расплава на форму фронта кристалли-зации и захват газовых пузырьков растущим кристаллом.
Получение легированных монокристаллов парателлурита и анализ секто-риального распределения в них легирующих добавок.
Изучение неоднородностей, приводящих к рассеянию света монокристаллами парателлурита и оценка вкладов в рассеяние дефектов различного рода.
Разработка технологии получения крупногабаритных монокристаллов парателлурита с учетом требований к их оптическому совершенству.
Научная новизна:
Произведены расчеты удельной свободной поверхностной энергии различных граней монокристаллов парателлурита. Определены сингулярные грани и особая сингулярная грань (110). Установлена последовательность проявляющихся в габитусе іраней в порядке возрастания поверхностной энергии.
Экспериментально доказано, что минимальные концентрации дефектов различного рода соответствуют областям кристаллов, образованным пирамидами роста особой сингулярной грани монокристаллов парагеллури-та.
Исследованы условия роста газовых пузырьков и условия их захвата кристаллами парателлурита, определены ростовые параметры, при которых пузырьки оттесняются фронтом кристаллизации.
Даны количественные оценки, и объяснение секториальности распределения дислокаций в монокристаллах парателлурита.
Исследована электропроводность чистых и легированных монокристаллов парателлурита, сделан вывод о ее преимущественно примесном характере.
Обнаружен оптический эффект, связанный с гиротропией парателлурита и проявляющийся в виде периодических областей рассеяния лучей монохроматического света, проходящего вдоль оптической оси кристалла [001].
Исследованы оптические неоднородности, приводящие к рассеянию света кристаллами парателлурита.
Экспериментально изучено пространственное распределение ряда примесей (Si, Al, Mg, Fe, Pt) и легирующих добавок в монокристаллах парателлурита. Найдены значения соответствующих эффективных коэффициентов распределения. Получены монокристаллы парателлурита, легированные неодимом в диапазоне концентраций от 0,01% до 1% (ат.).
Изучено влияние высокотемпературного отжига на термоупругие напря
жения, дислокации и пузырьки в кристаллах парателлурита. Обнаружены
явления перемещения газовых пузырьков и изменения их формы н кристаллах в поле температурного градиента.
Разработана технология получения оптически-однородных монокристаллов ііарателлурита диаметром до 80 мм, высотой до 100 мм с плоским фронтом кристаллизации. Эти кристаллы представляют собой пирамиды роста особых сингулярных граней {110}.
Практическая ценность работы:
Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с проблемами АН СССР (РФ) 1.3.3.3 и 1.3.3.5 и включены в тематику НИР, проводимых по программам "Университеты России" и "Конверсия".
Основная практическая значимость работы заключена в технологии, позволяющей стабильно производить крупногабаритные монокристаллы па-рателлурита высокого оптического качества для использования в акусто-оптике.
Выработаны рекомендация по отжигу кристаллов паратсллурита, позволяющие улучшать их оптические свойства.
Получены кристаллы паратсллурита, равномерно легированные неодимом, которые являются новой перспективной генерационной средой для твердотельных лазеров.
Обнаруженный оптический эффект, связанный одновременно с поляризацией, гиротропией и рассеянием света в монокристаллах парагеллурита, может быть использован в ВУЗах в лабораторных работах и демонстрационных опытах при изучении студентами соответствующих разделов курса оптики.
Выращенные в результате работы монокристаллы парателлурита использованы в девяти организациях различных министерств и ведомств, где из них изготовлены и испытаны современные акустооптические устройства: модуляторы, дефлекторы, фильтры, процессоры.
Ценность работы защищена восемью авторскими свидетельствами на изобретения.
Результаты работы экспошфовались на ВДНХ, где автор награжден бронзовой и серебряной медалями.
Фактический экономический эффект от внедрения разработок в республиканской межвузовской научно-исследовательской лаборатории ТвГУ за 1989-1991 годы составил 49 тысяч рублей (в прежнем масштабе цен), а за 1992-1995 годы -17,0 млн. руб.
Основные положения, выносимые на защиту:
Особыми сингулярными гранями монокристаллов парателлурита являются грани {110}. Последовательность значений удельной свободной поверхностной энергии для других граней с малыми индексами имеет вид, установленный в настоящей работе.
Распределение дефектов различных размерностей: дислокаций, примесей, легирующих добавок, пузырьков, областей аномальной двуосности,- носит секториальный характер, определяемый развитием граней {НО}, {101}, {111),(201}.
Объемы кристаллов, сформированные пирамидами роста іраней {ПО}, содержат дефекты в минимальном количестве. Распределение дефектов по данным объемам является наиболее равномерным.
Практически возможно выращивание монокристаллов парателлурита методом Чохральского в виде пирамид особых сингулярных граней.
При выполнении условий, найденных в настоящей работе, возможно полное устранение захвата кристаллами газовых пузырьков.
Отжит- кристаллов существенно снижает плотность дислокаций в них, уменьшает послеростовые напряжения, приводит к огранению, распаду и движению газовых включений в поле температурного градиента.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации отражены в 30 научных работах. Материалы диссертации сообщались: на конференции по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов (г. Звенигород, 1980); на совещании по актуальным проблемам получения и применения сегнето - и пьезоэлектрических материалов (г. Москва, 1981); на совещании-семинаре преподавателей вузов по современным проблемам и методике преподавания кристаллохимии (г. Бологое, 1981); на совещании по состоянию и перспективам развития методов получения монокристаллов (г. Харьков, 1982); на П Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов" (г. Рига, 1987); на VIII Межотраслевом техническом совещании "Кристаллические оптические материалы" (г. Мс-сква, 1992); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Информациоішо-управляющие и вычислительные комплексы на основе новых технологий. Наука и маркетинг" (г. Санкт-Петербург, 1992).
Структура и объем диссертации:
