Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие большинства отраслей современного производства, в частности отраслей "высоких технологий" связано с использованием диэлектрических монокристаллических материалов. Среди них одно из ведущих мест по разнообразию и широте применения занимает монокристаллический кварц (a-SiC^). Важность и актуальность исследований a-SiC^ определяется его широким использованием в различных областях науки и техники.
Промышленное применение кварца и других диэлектриков непосредственно основано на физических свойствах и особенностях структуры этих материалов. В свою очередь, практика производства и функционирования так называемой диэлектроники - совокупности электронных устройств и систем, функционирование которых основано на физических явлениях, происходящих в диэлектриках (преимущественно нецентросимметричных) при действии одного или нескольких управляющих полей [1], ставит перед физикой твердого тела задачи получения и исследования материалов нового поколения с заранее заданными свойствами.
В мировом валовом национальном продукте вклад электроники и информатики сегодня больше вклада энергетики и машиностроения. Каждые пять лет происходит удвоение объема электронной продукции с одновременным расширением областей её применения.
Традиционно ведущим остается применение кварца в качестве пьезо-электрика в радиоэлектронике, системах радиосвязи, дефектоскопии, ультро-фиолетовой оптике, различных измерительных устройствах (точное измерение времени, массы, расстояния и т.п.), в современных системах оптоволновой связи, телефонной сотовой связи [2-3].
На сегодняшний день сохранилась тенденция к повышению требований к качеству кристаллов. Необходимы и материалы с новыми свойствами, поэтому технология синтеза, а значит и научные исследования, требуют развития. Реальные кристаллы (природные и искусственные) всегда содержат примеси, различные дефекты, и потому не являются идеальными. Более того, общеизвестно, что именно дефекты кристаллов определяют их физико-химические свойства. Исследование дефектов реальных кристаллов всегда было приоритетным направлением кристаллографии. Так изучение дефектов природных кристаллов (внутренних полостей, неструктурной примеси) дало информацию об условиях образования и эволюции кварца и позволило определить его реальный состав с учетом входящих в него примесей, объяснить особенности механизма роста и формообразования. Эти данные помогли в разработке методов синтеза кварца.
Необходимость изучения и контроля дефектности кварца стимулировали развитие методов их анализа, диагностики. Снижение дефектности привело
к совершенствованию аппаратуры, способов и условий роста, методов обработки кварцевых изделий. Стремление к снижению дефектности привели к разработке методов очистки готовых кристаллов.
Изучение дефектов кристаллов, причин их порождающих традиционно рассматривается, в основном, как этап к их устранению при искусственном выращивании. В то же время, закономерным этапом в практике роста возник вопрос об использовании особенностей структуры реальных дефектных кристаллов, об изучении механизмов и практической возможности формирования заданной дефектной структуры.
Поэтому, актуальным представляется этап перехода от экспериментального изучения и теоретического описания существующих дефектов структуры к изучению возможности формирования заданной субструктуры. Осуществить этот этап возможно только опытным путем, методом экспериментального моделирования дефектов структуры кварца на этапе его роста и последующего травления. В случае положительных результатов, на основе кварца возможно получение новых материалов со специфическими физическими свойствами. В соответствии с этим была поставлена следующая цель.
Цель работы. Исследовать формирование дефектов структуры монокристаллического кварца для отработки способов направленного формирования кварца с заданной топологией и дефектной (микроканальной, пористой) структурой.
Методы исследования. Решение поставленной задачи потребовало, с одной стороны, широкой теоретической проработки накопленных научных материалов по дефектам кварца, их связи с условиями его синтеза. С другой стороны, необходима экспериментальная проверка и моделирование условий, причин появления дефектов в реальных гидротермальных режимах роста (метод экспериментального моделирования). Для проведения экспериментального этапа исследований была спроектирована и изготовлена лабораторная установка, отработаны различные режимы синтеза монокристаллов кварца. Изучение монокристаллов проводили стандартными взаимодополняющими методами: рентгеновской топографии; химического и гидротермального травления; оптической спектроскопии; оптической и электронной микроскопии.
Достоверность и обоснованность результатов. При проведении всего цикла исследований использовали метрологически поверенные приборы. Эксперименты проводили в воспроизводимых условиях.
Научная новизна. 1. Впервые доказана возможность получения кристаллов кварца с набором заданных дефектов, которые можно использовать для получения материалов со сформированной рыхлой и пористой структурой.
2. Проведено сравнительное исследование основных причин образования дефектных каналов кристаллов кварца и определены наиболее перспективные дефекты с практической точки зрения.
3. Разработаны основы технологии получения искусственного кварца с заданной внутренней топологией.
Научное и практическое значение. 1. Экспериментально изучены причины и условия образования линейных дефектов кварца, что важно как для их преднамеренного формирования, так и для обратной задачи - предотвращения их при синтезе.
Сформированы основы технологии получения кварца с микроканальной структурой и получены образцы монокристаллов кварца с заданной внутренней топологией. Возможность получения на этой основе материалов с «рыхлой», пористой структурой перспективно для квантовой электроники (при их заполнении активной средой), для водородной энергетики, для изучения свойств возможных наполнителей данных структур (жидкостей, жидких кристаллов итд.).
По результатам исследований получено два авторских свидетельства СССР и патент России на изобретение.
На защиту выносятся:
Экспериментальные данные по формированию заданной дефектной структуры (направленного дефектообразования).
Метод получения кристаллов кварца с «рыхлой структурой» - дефектными каналами заданной плотности, размерами и определенного кристаллографического направления.
Апробация результатов работы Экспериментальные результаты и теоретические выводы прошли апробацию на научно-технических семинарах и научных конференциях в гг. Москве, Обнинске, Харькове, Ижевске, Пушкине и Челябинске (в 1985-2007 гг.). Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на Федоровских конференциях горного института (г. С-Петербург), конференциях по итогам научно-исследовательских, работ профессоров, преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ЧГПУ (г. Челябинск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы в отечественных сборниках и научных журналах. Получено два авторских свидетельства на изобретения СССР и патент России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 105 страницах и сопровождается 22 рисунками, список литературы состоит из 157 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, были выполнены в лабораториях ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет (ЧГПУ)» (заведующий - профессор Брызгалов А.Н.) и на кафедре естественно-математических дисциплин ГОУ ВПО «ЧГПУ» (заведующий - профессор Викторов В.В.). Ряд подготовительных работ, опытов и
измерений были проведены с использованием аппаратуры и материалов Ленинградского института точной механики и оптики (Технического университета г. С-Петербурга), Государственного оптического института (г. С-Петербурга), завода «Кристалл» (г. Южноуральска), Челябинской фабрики художественных изделий. Автор признателен коллегам вузов, научных учреждений и предприятий, принявших участие в проведении экспериментальных работ и обсуждении полученных результатов.
Автор выражает благодарность профессору Викторову В.В. за оказанную научную и методическую помощь.
