Весьма распространены так называемые недоразвитые формы роста кристаллов, т. е. такие формы, в которых отсутствуют какие-либо элементы огранения (грани, ребра, вершины).
К числу недоразвитых форм относятся, прежде всего, дендритные формы (рис. 56).
Это «древовидные» кристаллы, вырастающие из одного центра и имеющие одну общую кристаллографическую ориентировку. Механизм дендритного роста кристаллов до сих пор не вполне ясен. Некоторые авторы объясняют дендритный рост кристаллов анизотропией теплопроводности кристаллов, в особенности металлов. Как показывают многочисленные исследования, анизотропия теплопроводности играет роль в образовании дендритной формы кристалла, но ее нельзя считать главной причиной.
Одно из объяснений механизма образования дендрита дано русским металлургом Д. К. Черновым. Д. Д. Саратовкин, придерживающийся его взглядов, показал, что причины дендритной кристаллизации надо искать в примесях маточного раствора и в большой скорости кристаллизации. При этом частицы примесей в расплаве играют ту же роль, что и частицы растворителя в растворе.
Исследования последних лет дают основания утверждать, что не исключена возможность образования дендрита в беспримесных (чистых) системах. Такой ход кристаллизации объясняется тем, что особенно в условиях значительного концентрационного или теплового переохлаждения разнородные элементы огранения кристалла, имеющего первоначальную полиэдрическую форму, будут в неодинаковом положении в отношении питания путем объемной диффузии. В наилучшем положении будут вершины, затем ребра, и наконец, грани. Возникающая диффузионная неоднородность питания увеличивается с размерами кристалла.
А. А. Черновым рассмотрено одновременное действие диффузионной неоднородности и кристаллографической анизотропии на грани кристалла. Распределение концентрации вокруг грани приводит к тому, что пересыщение в центре грани минимально, а у вершин и ребер максимально. В то же время на границе кристалл—раствор должно выполняться условие равновесия
Это равновесие осуществимо, если b неодинаково (b зависит от температуры, концентрации и в основном от кристаллографической анизотропии).
Расчет показал, что так как b минимальна для плотноупакованных граней, то компенсация непостоянства концентрации происходит за счет изгибания поверхности плотноупакованной грани.
Однако это происходит лишь в случае, когда размер кристалла превышает некоторый критический Lс. При еще больших размерах теряют устойчивость формы, и изометричный рост сменяется на скелетный (рис. 57). Величина b связана также с «источниками» — отправными точками роста. Такими источниками считаются дислокации и плоские зародыши. При малых пересыщениях, когда действуют только дислокационные источники роста, расположенные, как правило, в центрах граней, кристалл будет иметь антискелетную форму роста, «лишенную» угловых и реберных участков поверхности (рис. 58). Выгнутые формы наблюдались на кристаллах карборунда SiC и др. По мере увеличивающегося пересыщения дислокационный механизм сменяется механизмом образования зародышей, которые в силу диффузионной неоднородности будут скорее образовываться на ребрах и вершинах. Эти гранные, реберные и вершинные источники при соответствующих условиях должны в конечном счете оказаться более мощными и кристалл примет дендритную форму (рис. 59). Черновым выведена формула для оценки критического размера кристалла, при котором должно происходить его искажение. К сожалению, в эту формулу входит коэффициент р, который не определяется опытным путем.
Таким образом, дендритный рост следует рассматривать скорее как видоизменение нормального роста, но не как совершенно особый процесс.
Давно известно, что литые слитки и быстро затвердевшие в условиях сильного переохлаждения металлы имеют дендритную структуру, т. е. состоят из первичных дендритных ветвей, часто параллельных направлению роста, и вторичных дендритных ветвей которые растут под определенными углами, зависящими от струры кристалла, к первичным ветвям.
Иглы дендрита растут параллельно тем граням, над которыми они располагаются. В некоторых случаях скорость двух соседних граней, имеющих общее ребро, может меняться неодинаково, что приводит к искривлению пути перемещения ребра. Это можно наблюдать на морозных узорах на окнах.
По Фогелю, дендритному росту кристалла способствуют анизотропия формы кристалла, низкая его теплопроводность, высокое значение скрытой теплоты кристаллизации, большая скорость отложения вещества, легкость самопроизвольного зарождения, вязкость и примеси.
Скорость роста дендрита определяется степенью переохлаждения у верхушки дендрита или, что еще вероятнее, градиентом переохлаждения. Она максимальна для дендрита, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости холодильника (параллельна направлению теплового потока). Такой дендрит растет быстрее своих менее благоприятно ориентированных соседей, подавляя их рост. Это обстоятельство используется в ряде случаев для обеспечения преимущественной ориентации. Так, при определенных условиях из расплава получают дендриты германия вдольного кристаллографического направления. Полученные кристаллы не будут настоящими дендритами в обычном смысле этого слова, потому что ветви их представляют собой тонкие пластинки, ограниченные кристаллографическими плоскостями {111}. Их называют «дендритными лентами». Для лент характерны одна или несколько когерентных двойниковых плоскостей, параллельных внешним поверхностям. На рис. 60 показано кристаллическое строение ленточного дендрита с единственной плоскостью двойни-кования. Оба кристалла (А и В), разделенные плоскостью двойникования (С), имеют общее направление [1 2 1]. Такой дендрит обычно растет вертикально вниз в виде одной ветви. Из переохлажденного (метастабильного) расплава непрерывно может расти дендритная лента, состоящая по меньшей мере из трех кристаллических индивидов. Входящие углы между пересекающимися плоскостями {111} становятся постоянно действующим местом прикрепления частиц кристаллизующегося вещества.
Дендритные ленты германия, используемые в полупроводниковой технике, по сравнению с образцами, приготовленными из кристаллов полиэдрической формы, имеют преимущество более совершенной поверхности по сравнению с обработанной.
Методом Чохральского удается получить и дендритные нити германия за счет того, что в условиях ускоренного вытягивания дендрита из менее переохлажденного расплава первый не успевает приобрести огранку.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com