Введение к работе
Актуальность темы. Монокристаллы корунда, благодаря своим уникальным свойствам - высокой температуре плавления, твердости, химической инертности, радиационной стойкости и др., широко используются в различных областях науки и техники в качестве конструкционного материала, окон приборов, УФ - фильтров, термолюминесцентных датчиков, световодов, активных сред лазеров и т.д. Это стало возможным в результате искусственного выращивания кристаллов со стабильными воспроизводимыми характеристиками.
Среди существующих методов выращивания корунда наиболее распространены методы Вернейля, Киропулоса (метод ГОИ), Чохральского, Степанова (EFG), ГНК (горизонтальной направленной кристаллизации). Каждый из них обладает определенными преимуществами, что и объясняет их примерно равноценное и одновременное существование. Выбор метода определяется требованиями, предъявляемыми к кристаллу.
Многие изделия сложной формы можно получить методом Степанова без дорогостоящей механической обработки, что делает метод уникальным и незаменимым.
Основные дефекты, влияющие на качество кристаллов корунда: газовые включения, блоки, малоугловые границы и примеси. Их исследованию посвящено множество работ, но они, в основном, ориентированы на какой-либо конкретный метод. Общее понимание проблемы возникновения дефектов отсутствует.
Образование газовых включений объясняется неустойчивостью фронта кристаллизации, возникающей при определенной "критической" скорости роста. В то же время, остается не выясненным, что и как определяет величину критической скорости. По механизмам формирования блоков также создано немало моделей, но полной ясности нет.
Возникающие в кристаллах дефекты в первую очередь связывают с технологическими параметрами: скоростью роста, частотой вращения, средой и давлением в рабочем пространстве, его размерами, концентрацией примеси и т. д.
При этом мало внимания уделяется процессам, происходящим на фронте кристаллизации и его морфологии.
Вместе с тем, морфологическая устойчивость фронта кристаллизации во многом определяет совершенство выращиваемого кристалла. Газовые включения захватываются, когда фронт теряет устойчивость и приобретает ячеистую структуру. Такая структура фронта хорошо описана на примерах металлов, однако, что собой представляет ячеистый фронт кристаллов тугоплавких оксидов и как он способствует образованию дефектов, требует дальнейшего изучения. В качестве объекта исследования выбран самый распространенный кристалл из группы тугоплавких оксидов - корунд. Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в рамках Госконтракта №126-96 шифр 6.96.176. Ее результаты использовались при выполнении НИР "Шаблон" РК №0298V001019, "Шанс" РК №0196V004515 и контрактов с зарубежными фирмами №752-77/97, №840-6/98, №376-2/98.
Цель и задачи исследования. Цель данной работы -исследование морфологических особенностей фронта кристаллизации монокристаллов корунда, определение их влияния на структурное совершенство кристаллов, разработка технологических приемов выращивания безблочных кристаллов оптического качества методом Степанова.
В диссертации решены следующие задачи:
Исследован механизм образования газовых включений в профилированных кристаллах, выращенных в различных тепловых условиях.
С помощью рентгеноструктурного анализа изучена блочность кристаллов корунда и определены условия ее возникновения.
Изучено влияние неоднородности теплового потока по фронту кристаллизации на образование дефектов.
Разработаны конструкции формообразователей и технологические приемы, позволяющие максимально снизить количество газовых включений в кристаллах и исключить возникновение блоков.
Исследована морфология фронта кристаллизации кристаллов корунда, выращиваемых из расплава различными методами.
Научная новизна полученных результатов. Показано, что фронт кристаллизации корунда при выращивании из расплава любом методом всегда имеет ячеистую структуру.
Выделены два основных состояния морфологии фронта кристаллизации: ячеистое и скелетное, а также изучена их взаимосвязь.
Установлено, что основная причина образования газовых включений и их выстраивания в ряды обусловлена изменением морфологии фронта кристаллизации с ячеистой на скелетную.
Впервые применены технологические решения, позволяющие регулировать тепловой поток по фронту кристаллизации, исключить локальный переход на скелетный рост и возможность образования дефектов.
Раскрыты причины обуславливающие шероховатость фронта кристаллизации и нормальный механизм роста. Возникновение ячеистой шероховатости - следствие стремления кристалла сохранить при реальной кривизне фронта площадь, равную площади равновесного кристалла.
Практическое значение полученных результатов.
Выработаны технологические приемы, позволяющие получать методом Степанова стержни а-АЬОз без блоков и центров рассеивания монохроматического излучения.
Разработаны специальные конструкции формообразова-телей, предотвращающие локальное переохлаждение на фронте кристаллизации и связанный с этим переход на скелетный рост.
Предложена методика разращивания кристаллов при понижении мощности, что снижает вероятность образования блоков.
Разработаны оптимальные параметры выращивания лазерных монокристаллов АЬОзіТі методом Чохральского.
Предложены технологические решения для реализации нормального механизма роста с высокими скоростями кристаллов, выращиваемых из растворов или раствор - расплавов.
Личный вклад соискателя. Проведен поиск и анализ научных публикаций, касающихся темы диссертации. Сформулированы основные направления работы. Методами Степанова и Чохральского выращено статистически достоверное количество кристаллов корунда. Результаты выращиваний проанализирова-
ны и систематизированы. Структурное совершенство кристаллов изучено с помощью рентгеноструктурного анализа, выполненного Ткаченко В.Ф.. Установлены общие закономерности образования дефектов в профилированных кристаллах и причины их возникновения. Разработаны технологические решения, с помощью которых методом Степанова выращены кристаллы корунда, не содержащие блоков и газовых включений. Определена равновесная форма корунда в собственном расплаве и ее роль в процессе кристаллизации. Раскрыты причины шероховатости фронта кристаллизации и нормального механизма роста. Предложен способ реализации нормального механизма роста для кристаллов, выращиваемых из растворов.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались на 6й Всесоюзной конференции "Физика разрушения - 89" (Киев, сентябрь, 1989), 8" Всесоюзной школе по росту кристаллов (Харьков, октябрь, 1989), Международном семинаре "Процессы переноса массы в реальных кристаллах и на их поверхности; процессы роста кристаллов" (Харьков, октябрь, 1998), Международной конференции по росту и физике кристаллов, посвященной памяти М.П.Шаскольской (Москва, ноябрь, 1998).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в четырех статьях в журналах "Функциональные материалы" и "Кристаллография" и в трех авторских свидетельствах.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка использованных источников из 95 наименований. Объем работы составляет 132 страницы и содержит 66 рисунков.
