Метод Вернейля
Техническое оформление и сущность метода Вернейля состоит в следующем.
Латунная трубка (рис. 124) соединена с воронкой, снабженной боковым отверстием для впуска кислорода. Эта трубка вставлена в более широкую латунную трубку также с боковым отростком для поступления водорода. Нижние концы концентрических трубок помещены в муфель из огнеупорной глины, внутри которого имеется «свеча» из огнеупорного материала. Эта «свеча» может перемещаться вертикально при помощи механизма. Внутри воронки помещен сосуд С с сетчатым дном. Небольшой молоточек периодически отклоняется зубчаткой и, слегка ударяя о воронку, заставляет порошок окиси алюминия небольшими порциями просыпаться через сетчатое дно сосуда С и падать на свечу, конец которой омывается пламенем гремучего газа. Падающий порошок расплавляется пламенем газа и на конце свечи спекается в коническую затравку. Когда затравка достигает определенной величины и формы, изменяют условия горения газа, чтобы расплавить вершину конуса затравки, и далее так регулируют температуру пламени в вершине конуса, чтобы расплавленные пылинки, попадая на затравку, могли прирастать. Эти условия обеспечивают выживание одного кристалла, ориентированного по градиенту температур
Ориентация нарастающей «бульки» будет соответствовать ориентации зерна шейки.
Шихтой для выращивания бесцветного монокристалла корунда служит окись алюминия, к которой при выращивании красного рубина добавляют небольшие количества окиси хрома, а для получения сапфира — окись ванадия и т. д. Порошок AI2O3 (у-Аl2О3 в отличие от выращиваемых кристаллов а-AI2O3) изготовляется обычно путем прокаливания в определенных условиях алюмо-аммиачных квасцов.
Кристаллы, получаемые этим методом, имеют вид опрокинутого конуса. Громадные внутренние напряжения делают их непрочными и легко рассыпающимися на мелкие осколки. Непрочными оказываются и детали, вырезанные из кристалла корунда, уже анизотропного в отношении механических свойств. В практике применения кристаллов корунда не безразлично, как ориентирован кристалл. Предварительно установить расположение главных кристаллографических осей удается только с большим трудом. В результате распиловки и обработки деталей из кристалла корунда 75—80% его идет в отходы.
Проблема получения ориентированных монокристаллов корунда была решена С. К. Поповым. В результате изменения метода монокристаллы корунда получались в виде цилиндрических стержней.
В новой конструкции аппарата разработана точно регулируемая подача шихты. Резервуар, в котором находится шихта, подвешен на тонкой мембране, благодаря чему он может продолжительное время вибрировать от слабых ударов молоточка и просыпать через сито необходимое количество шихты.
Для получения корундовых стержней вершину монокристалла необходимо держать в строго ограниченной зоне пламени, причем можно задавать диаметр стержня, регулируя подачу кислорода. Расширение кристалла производят за счет увеличения подачи кислорода.
Выращиванию высококачественных кристаллов корунда способствовало успешное решение и третьей задачи: определение положения растущего кристалла в зоне пламени гремучего газа.
Автоматический суппорт позволяет просто и точно регулировать скорость опускания кристалла по мере его роста.
Аппарат системы С. К. Попова дает возможность получать стержневые кристаллы диаметром от 2 до 3 мм со скоростью роста в 10—15 раз больше скорости роста обыкновенной бульки. Наблюдаемая средняя скорость роста кристаллов корунда при 2050°С равна 13—18 мм/час. Выращивание осуществляется на затравке с определенной ориентацией и хорошего качества. Соотношение подаваемых водорода и кислорода на заданном режиме роста равно три к одному (Н2 — 2700 л/час, O2 — 700 л/час). При таком режиме размеры выращенного кристалла зависят от времени.
Корундовые стержни, диаметр которых по длине не строго постоянен, обладают значительными внутренними напряжениями. После роста кристаллы отжигают в течение нескольких часов до температуры 1900°С в графитовых тиглях в вакууме 10-3 мм рт: ст.
Методом Вернейля—Попова выращивают также некоторые ферриты, гранаты и сегнетоэлектрические кристаллы.
Отжиг кристаллов
Кристаллы, выращенные из расплава, особенно при высоких температурах, как правило, подвергаются последующему отжигу — температурному воздействию при соответствующих условиях. В процессе отжига происходит перераспределение некоторых частиц основного вещества, дислокаций, примесных атомов и вакансий. В результате такого упорядочения вызванные большими скоростями роста кристалла напряжения частично или полностью снимаются (рис. 125).
Температура отжига определяется экспериментально, при этом она всегда остается ниже температуры образования кристалла. В идеальном случае любой процесс отжига должен идти при такой низкой температуре, чтобы обеспечивалась незначительная равновесная концентрация дефектов (межузельных атомов и вакансий), в противном случае подвижные примеси внедрения успеют диффундировать из кристалла. И все же температура отжига должна быть достаточно высокой для диффузии дефектов из кристалла.
Переход от температуры кристаллизации к температуре отжига можно осуществить двумя способами. Кристаллы охлаждают быстро до комнатной температуры, затем постепенно нагревают до температуры отжига. Быстрое охлаждение ведет к замораживанию примесей внедрения и вакансий, вследствие чего они рекомбинируют при повышении температуры до температуры отжига.
Вторым способом кристаллы охлаждаются медленно от температуры образования до комнатной, а затем постепенно нагреваются до температуры отжига. При отсутствии закалки и постепен-
ном охлаждении до температуры отжига весьма подвижные примеси внедрения успеют диффундировать из кристалла.
Эти два процесса различаются еще и тем, что в способе с быстрым охлаждением при последующем приближении к температуре отжига наружные области кристалла горячее, чем внутренние.
При втором способе наблюдается обратная картина. Отжигом в парах одного из компонентов можно обеспечить стехиометрический состав кристалла или максимально к нему приблизить.
Скачать реферат: