Монокристали | Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія

Монокристали


Монокристали

МОНОКРИСТА́ЛИ – кристалічні тіла, що складаються з єдиного кристала з неперервною кристалічною ґраткою. Якщо тверде тіло складається з безлічі хаотично орієнтованих кри­сталіч. зерен, то воно є полікри­сталом. За хім. складом М. поділяють на неорганічні й органічні; за електропровідністю – на електр., напівпровідник. та ді­електричні. Залежно від виду частинок у кристаліч. ґратці та характеру зв’язку між ними розрізняють кристали: іонні (у вузлах кри­сталіч. ґратки містяться позитивні та негативні іони), атомні (у вузлах кристаліч. ґратки наявні нейтрал. атоми, що утримуються ковалент. зв’язками квантово-мех. походження), молекулярні (у вузлах кристаліч. ґратки розташовуються нейтрал. молекули речовини) та металеві (у вузлах кристаліч. ґратки містяться позитивні іони, при утворенні кристаліч. ґратки валентні електрони відокремлюються від атомів і колективізуються). Пріоритетні напрями у сфері отримання М.: фундам. дослідж. процесів росту М., комплексні дослідж. фіз.-хім. властивостей і фіз. явищ у М., пошук і розроблення ефективніших монокристаліч. структур, підвищення структур. і функціонал. властивостей досконалості існуючих М., пошук нових сфер їх застосування, розроблення продуктив. технологій вирощування М. М. вирощують з парів, розплавів (найпоширеніший спосіб) і розчинів, твердої фази, синтезують шляхом хім. реакцій, здійснюють електроліт. кристалізацію, кристалізацію з гелів, газової (парової) фази при градієнті тиску, з розплавів при температур. градієнті, з розчинів при градієнті концентрації на межі поділу кри­стал–розчин. Кристалізацію з парової (газової) фази використовують для вирощування масив. М., що ґрунтуються на конденсації речовини, що надходить до зростаючого кристала у вигляді влас. пари. Нині понад 50 % технічно важливих кристалів вирощують з розплаву. Для цього використовують речовини, що плавляться без розкладання, не мають поліморф. переходів і характеризуються низькою хім. активністю. Методами кристалізації з розплаву вирощують елементарні напівпровідники та метали, оксиди, галогеніди, халькогеніди, вольфрамати, ванадати, ніобати й ін. речовини. Кристалізацію з розчинів застосовують під час вирощування речовин, що розкладаються при т-рах нижче т-ри плавлення. У вирощених такими методами кристалах немає дефектів, що характерні для кри­сталів, вирощених з розплавів. При вирощуванні кристалів з розчинів рушій. силою процесу є перенасичення. Методом температур. перепаду вирощують, напр., кристали дигідрофосфату калію та дигідрофосфату амонію (KDP і ADP). Швидк. росту кристалів у таких умовах становить бл. 1 мм на добу, М. вагою 400 г ростуть 1,5–2 місяці. Одним з найбільш поширених у використанні пром. методів отримання напівпровідникових і ін. М. є метод Чохральського (розроблений 1918). За його допомогою здійснюють витягування вгору М. із ванни з розплавом. Нагрівання зазвичай здійснюють за допомогою надвисокочастот. випромінювання. Для зняття напруг використовують додатк. піч, через яку проходить кристал, що відпалюють. Перевага методу витягування з розплаву порівняно з ін. методами полягає в тому, що кристал росте у вільному просторі без контакту зі стінками тиг­ля, при цьому досить легко можна змінювати діаметр кристала, що зростає, і візуально контро­лювати його зростання. Методами витягування з розплаву нині вирощують більшість М. напівпровідник. діелектр. матеріалів (кремній, Si; арсенід галію, GaAs; фосфід індію, InP; арсенід індію, InAs), синтет. лазерних кристалів (алюмо-ітрієвий гранат, легований Nd3+, Er3+, Ce3+, Cr3+) і дорогоцін. каміння. Метод Степанова та його модифікації дозволяють отримувати низку профілів М. металів, напівпровідників і діелектриків постій. перетину та вироби більш складних форм шляхом їх кристалізації безпосередньо з розплаву. Спосіб ґрунтується на капіляр. формоутворенні. При зростанні кристала розплав надходить з тигля капіляр. каналами спец. фільєри (формоутворювача) до її робочої поверхні, кромки якої задають контур тонкого шару розплаву (меніска), укладеного між формоутворювачем і міжфаз. кордоном. Попереч. переріз кристала, що витягується, визначається геометрією крайок формоутворювача. Спосіб Степанова дозволяє вирощувати сапфір. вироби з наперед заданою формою, це мінімізує витрати на остаточне оброблення. Синтез дорогоцін. ювелір. і тех. каменів за способом Вернейля вважають класичним і першим пром. методом вирощування кристалів корунду та шпінелі. Цим же методом вирощують синтет. рутил, титанат стронцію, гранати, ніобат літію та ін. штучні кристали. 1924 укр. фізики І. Обреїмов і Л. Шубников розробили метод вертикально спрямованої кристалізації (ВСК), що полягає у вирощуванні М. у вертикал. нерухомому трубчатому контейнері циліндрич. форми, що охолоджують знизу струменем стисненого повітря. 1925 амер. дослідник П. Бриджмен зробив істотні конструкт. зміни, зокрема почав використовувати ін. систему охолодження циліндрич. контейнера з розплавом. У вертикал. варіанті методу Бріджмена контейнер рухливий: під час росту кристала контейнер опускається вниз і поступово виходить назовні з нагрітої печі, охолоджуючись навколиш. повітрям (без примусового обдування). 1937 амер. вчений Д. Стокбарґер запропонував нові конструктивні зміни в процес ВСК. У методі Стокбарґера єдиний спіралеподіб. нагрівач електроопору розділений на дві окремі секції, що живляться автономно, це дозволяє забезпечувати потрібний температур. профіль в печі. Між цими секціями розташ. спец. кільцеподібна діафрагма, призначена для забезпечення різкого перепаду т-р в зоні кристалізації. У початк. період процесу ВСК контейнер розташовують у верх. (гарячій) камері та після розплавлення шихти його поступово опускають із певною швидкістю через діафрагму в нижню (теплу) камеру. 1926 нім. фізик грец. походження С. Кіропулос запропонував спосіб вирощування великих лужногалоїд. М., що використовують в оптич. приладах. У методі Кіропулоса монокристалічна затравка, закріплена в водоохолоджуваному кристалотримачі, контактує з розплавом у тиглі. На цій затравці відбувається поступове наростання кристала в формі півсфери. При цьому кристал немовби вростає в розплав. Коли кристал, що розростається, наближується до стінки тигля, кристалотримач піднімається на кілька міліметрів. Після кожного такого підняття на бічній поверхні кри­стала лишаються кільцеподібні мітки – сліди переходу від одного рівня до ін. При методі Кіропулоса діаметр вирощуваного кри­стала обмежується лише розмірами тигля і практично може досягати 300 см і більше. Можна здійснювати зонне плавлення майже всіх технічно важливих металів, напівпровідників, діелектриків, неорган. і орган. сполук. Розрізняють безтигел. і контейнерні, а за розташуванням матеріалу, що плавиться, – горизонтал. і вертикал. установки. Широкого поширення при отриманні тугоплав. монокристаліч. матеріалів набув метод горизонтально спрямованої кристалізації (ГСК), або метод Багдасарова, розроблений в Ін-ті кристалографії АН СРСР (Москва). Цей спосіб вирізняється віднос. тех. і технол. простотою, дозволяє порівняно дешево отримувати великі М. лейкосапфіру високої якості. При ГСК характерне ефективне видалення домішок (на відміну від методів Чохральського та Кіропулоса), чому сприяє не тільки досить висока т-ра розплаву, але і добре розвинена поверхня розплаву при невеликій величині відношення глибини човника до його ширини. Особливістю методу ГСК є також можливість проведення багатораз. передростової перекристалізації матеріалу. Наявність відкритої поверхні розплаву дозволяє вводити в нього активуючу домішку на будь-якому етапі вирощування кристала. 1989 Г. Григоренко запропонував метод плазмово-індукц. зонного плавлення, що згодом удосконалив і розвинув В. Шаповалов разом зі співробітниками в Ін-ті електрозварювання НАНУ (Київ). Суть методу полягає у використанні двох незалеж. джерел нагрівання – плазмово-дугового й індукцій., а також застосуванні рухливої локал. метал. ванни за розмірами значно меншої перетину М., що, рухаючись під дією плазмово-дугового джерела нагрівання, формоутворює М. Метод використовують для вирощування супервеликих М. тугоплав. металів – переважно вольфраму, молібдену та їх сплавів. До його переваг можна зарахувати теоретично не обмежені розміри М. як з традиц. формою перетину у вигляді кола, так і профільованих М. у вигляді пластин, труб, тиглів тощо. Для цього методу вирощування характерне ефективне видалення домішок, чому сприяє досить висока т-ра, інтенсивне перемішування розплаву та крапел. перенесення металу до ванни. Вирощені в такий спосіб кристали використовують для виготовлення тепл. і рентґенів. екранів, пластин-заготівок для широко­формат. монокристаліч. прокату, дзеркал надпотуж. лазерів, оболонок емітерів термо­емісій. перетворювачів косміч. ядер. енергет. установок тощо. Нині в Україні існує бл. 30 орг-цій, в яких вирощують різні М. Провід. наук. центром є «Монокристалів інститут» Науково-технологічний комплекс НАНУ (Харків). 1967 там почали вирощувати М. корунду лазер. рубіна. В. Семиноженко організував вироб-во сапфіра для електроніки методом ГСК. 2008 були вирощені найбільші на той період пластини сапфіра пл. 300 × 500 мм2, розроблений метод вирощування профільованого сапфіра: сапфір. тиглі, мед. імплантати, складні вироби для дослідж. гравітац. хвиль, елементи прозорої броні тощо. Відносно новий напрям для Ін-ту монокристалів НАНУ – дослідж. у галузі оптич. нанокристалів (під кер-вом О. Толмачова). Отримано нанопорошки контрольованого розміру, форми та складу. Харків. вчені розробили унікал. технологію вироб-ва сапфірів для електроніки, косміч. сфери, ВПК, медицини (напр., для виготовлення скальпелів для хірургії ока). В Ін-ті монокристалів НАНУ під кер-вом І. Притули розвивають наук. напрям, пов’язаний зі створенням нових нелінійно-оптич. і сцинтиляц. М. на основі склад. комбінацій неорган. матриць (KDP, ADP, LDP) з орган. і неорган. домішками. В Ін-ті монокристалів НАНУ вирощують напівпровідник. М. CdS, ZnSeTe, CdZnTe; у Черкас. технол. ун-ті – CdTe, CdZnTe; у Чернів. ун-ті – CdTe:Si. 1953 швец. компанією «ASEA» вперше був вирощений алмаз розміром 0,1–0,5 мм. 1954 алмаз синтезували в лабораторії фірми «Дженерал Електрик» (США); 1960 – в Ін-ті фізики високих тисків АН СРСР (м. Троїцьк Моск. обл.) під кер-вом Л. Верещагіна. 1961 В. Бакуль на базі розробленої ним технології та нового ростового устаткування багатораз. використання організував у Києві Укр. НДІ синтет. надтвердих матеріалів та інструменту з СКТБ і дослід. з-дом (нині Ін-т надтвердих матеріалів НАНУ). 1963 В. Бакуль налагодив серійне вироб-во алмазів для інструмент. пром-сті на декількох підпр-вах СРСР, зокрема в Києві та Полтаві. Були вирощені оптичні безбарвні та кольор. алмази й алмази, леговані бором для напівпровідник. техніки. Нині найбільшу кількість алмазів для інструмент. пром-сті синтезують в Китаї. 1977 керувати дослідж. механізмів вирощування алмаза і розробленням обладнання, що працює при високих т-рах і тиску, розпочав М. Новиков, при якому був розвинений детонац. метод синтезу. 2014 дослідж. очолив В. Туркевич, який вивчає хім. термодинаміку рівноваж. процесів і фазові рівноваги в системі залізо–вуглець при високому тиску. Історія сцинтиляторів розпочинається з дослідів нім. фізика Г.-В. Ґейґера та британ. фізика Е. Марсдена, які 1909 зареєстрували спалахи, що виникають при потраплянні заряджених частинок на екран з плівкою ZnS. Відтоді номенклатура сцинтиляц. М. значно розширилася. М. NaCl, KCl, KBr, NaI:Tl, CsI:Tl, CsI:Tl, Br, CsI:CO3, CsI:Na, LiF:Ti, LiF:W, LiF:Nb, LiI:Er були вирощені в Ін-ті сцинтиляц. матеріалів НАНУ (Харків) за результатами фундам. дослідж. взаємодії випромінювання з речовиною. Оригін. автоматизов. метод отримання лужногалоїд. М. вагою понад 500 кг і діаметром більше ніж 500 мм розробив Л. Едельман. Метод і ростову апаратуру впроваджено за ліцензією на фірмі «Сіменс» (США). Були вирощені оксидні сцинтилятори BaSrNb2O6, La3Ga5SiO14, BGO, Gd2SiO5:Ce, PbWO4, а також М. селенітів і халькогенідів. Під кер-вом М. Галунова отримані орган. М. стильбену, n-терфенілу й антрацену, розроб­лені оригін. методи очищення шихти. Фахівці Ін-ту сцинтиляц. матеріалів НАНУ на основі своїх М. виготовляють сцинтиляц. детектори для мед. томогр. гамма-камер, інтроскопії та реєстрації різного типу випромінювань, зокрема й змішаних випромінювань. Як «швидкі» сцинтилятори запропоновано та досліджено М. KMgF3(Ce), кристали алюмінату лютецію, силікатів лютецію та гадолінію. На їх основі розроб­лено активні доглядові системи, створ. комплекси для кон­тролю за переміщенням радіоакт. матеріалів і речовин та митного контролю вантажів і автомобілів. Ін-т сцинтиляц. матеріалів НАНУ під кер-вом Б. Гриньова є організатором міжнар. конф. зі сцинтиляторів і актив. учасником усіх важливих міжнар. проектів з ядер. фізики та фізики високих енергій. Харків. сцинтилятори побували на Марсі, забезпечували м’яку посадку супутників, що повертаються з космосу, за допомогою детектора з М. NaI Tl був відкритий радіац. пояс Землі. М. GGG, YAG, LiNbO3, PWO, YAPerovs­cite: Nd, Er, Tm, Ho вирощують на Львів. фірмі «Карат» та у Львів. ун-ті; Te2O, Li2B4O7, Ag3AsS3 і халькогеніди – в Ін-ті електрон. фізики НАНУ (Ужгород). М. стильбен. групи Bi-Sb, InGaSb, InSb вирощували під кер-вом Г. Коже­м’я­кіна з використанням УЗ-техніки в Сх.-укр. ун-ті та компанії «Лотер» у Луганську. М. Si, Zn, Cd, Ge, Mo, W вирощують в декількох орг-ціях України. Найбільший відсоток серед вирощуваних у світі М. становлять надчисті М. Si, що використовують для виготовлення підкладок інтеграл. схем і соняч. панелей. У Японії серійно вирощують М. діаметром 450 мм, в низці країн – М. діаметром 400 мм. На Світловод. з-ді «Чисті метали» (Кіровогр. обл.) діаметр М. кремнію сягнув понад 100 мм. В Ін-ті металофізики НАНУ (Київ) вирощують М. Zn, у Фіз.-тех. ін-ті низьких т-р НАНУ (Харків) – Cd, Ge.

Літ.: Физические свойства алмаза. К., 1987; E. Dobrovinskaya, L. Lytvynov, V. Pischik. Sapphire. Material, Manu­fac­turing, Applications. 2009; Физика сцинтилляторов. Материалы, методы, аппаратура. Х., 2015; Патон Б. Е. и др. Плаз­менно-индукционное выращивание про­филированных монокристаллов тугоплавких металлов. К., 2016.

Статтю оновлено: 2019