Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИПЛОМНАЯ РАБОТА, ХИМИЯ

Выращивание ориентированных монокристаллов вольфраматов бария и стронция.

irina_krut2019 1125 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 45 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 15.02.2020
Выпускная квалификационная работа 45 с., 12 рисунков, 20 источников. МОНКРИСТАЛЛЫ, КОНОСКОПИЯ, РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ, МЕТОД ЧОХРАЛЬСКОГО, ВОЛЬФРАМАТ БАРИЯ. Целью работы является выращивание монокристаллов вольфраматов бария и стронция. Объектом исследования данной выпускной квалификационной работы является методика выращивания монокристаллов вольфраматов бария и стронция. В результате выполнения выпускной квалификационной работы были выращены монокристаллы вольфрамата бария высокого оптического качества.
Введение

Прогресс физики твердого тела и успешное использование кристаллов в электронике привели к завоеванию чистыми монокристаллическими материа-лами все новых и новых областей применения. Кварц и слюда, традиционные, но довольно дорогие материалы для оптики и электроники, производятся сей-час в виде крупных монокристаллов. Процесс, протекающий в природе миллион лет, удается осуществить в искусственных условиях (при высоких давлениях) за значительно более короткое время, причем кристаллы обладают недостижимой в природе чистотой и размерами до нескольких дециметров. Алмаз редко встречается в природе, и поэтому в промышленности применяется только при производстве изделий, работающих при экстремальных нагрузках, например в специальных пилах, сверлах. Монокристаллы металлов и материалы с длинными участками высокоориентированных кристаллов также нашли широкое применение при производстве деталей, подвергающихся большим нагрузкам. Турбинные лопатки изготавливают из так называемой монокристаллической стали, состоящей из параллельно ориентированных кристаллов [1]. Бурно развивающаяся лазерная техника также не в последнюю очередь нуждается в современных монокристаллах. Здесь они нужны как для получения света в кристаллических лазерах, так и для изменения его частоты с использованием эффектов нелинейной оптики. С помощью очень тонких методов выращивания сегодня стало возмож-ным получать монокристаллы самых разнообразных веществ. Они являются почти точной моделью идеального твердого тела и выполняют собственные задачи, прежде всего служат для исследования свойств твердых тел без помех со стороны различных дефектов в кристаллической решетке. Кристаллы вольфраматов бария и стронция представляют значительный интерес, благодаря нелинейно-оптическим свойствам, позволяющим с высокой эффективностью преобразовывать свет на основе явления вынужденного комбинационного рассеяния в спектральной области 0,3—5 мкм. Для таких применений требуется получать монокристаллы высокого оптического качества— с малым градиентом показателя преломления вдоль слитка и минимумом оптических потерь. Целью работы является выращивание монокристаллов вольфраматов бария и стронция. Задачами данной работы являются выбор методики выращивания и вы-ращивание монокристаллов вольфрамата бария высокого оптического каче-ства.
Содержание

Введение 4 1 Монокристаллы 6 2 Процесс кристаллизации 8 3 Выращивание монокристаллов из раствор 10 4 Выращивание монокристаллов из паровой фазы 12 5 Получение кристаллов из твердой фазы 13 6 Получение кристаллов из жидкой фазы 14 7 Процессы получения монокристаллов 17 8 Методы получения затравок 21 8.1 Метод коноскопии 24 8.2 Рентгеноструктурный анализ 26 9 Метод Чалмерса 28 10Метод Бриджмена 30 11 Метод Чохральского 31 12 Вынужденное комбинационное рассеяние 34 13 Методика и техника экспериментальных исследований 35 14 Полученные результаты 38 Заключение 42 Список использованных источников 44
Список литературы

1 Багдасаров Х. С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава / Х. С. Багдасаров — М.: Физмалит, 2004. — 160 с. 2 Парвов В. Ф., Шубников А.В. Зарождение и рост кристаллов / В.Ф. Парвов, А. В. Шубников — М.: Наука, 1969. — 74 с. 3 Тимофеева В. А. Рост кристаллов из растворов-расплавов / В. А. Тимофеева — М.: Наука, 1978. — 268 с. 4 Шаскольская М. П. Кристаллография / М. П. Шаскольская — М.: Высщ. шк, 1984. — 376 с. 5 Егоров-Тисменко Ю. К. ЕЗО Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю. К. Егоров-Тисменко; под ред. академика В. С. Урусова. — М.: КДУ, 2005. — 592 с. 6 Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава / Г. Мюллер — М.: МИР, 1991. — 143 с. 7 Вильке К. Т. Выращивание кристаллов / К. Т. Вильке — Л.: Недра, 1977. — 597 с. 8 Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов / Р. Лодиз, Р. Паркер — изд. МИР, 1974. — 540 с. 9 Петров Т. Г., Трейвус Е. Б. Выращивание кристаллов из растворов / Т. Г. Петров, Е. Б. Трейвус — Л.: Недра, 1983. — 200 с. 10 Хонигман Б. Рост и форма кристаллов / Б. Хонигман — М.: Иностранная литература, 1961. — 210 с. 11 Козлова О. Г. Рост и морфология кристаллов / О. Г. Козлова — М.: МГУ, 1972. — 368 с. 12 Growth of optically homogeneous BaWO4 single crystals for Raman lasers / Ivleva L.I., Voronina I.S., Lykov P.A., Berezovskaya L.Yu., Osiko V.V. // J. Crystal Growth. — 2007. — Vol. 304. — P. 108-113. 13 Comparative Spontaneous Raman Spectroscopy of Crystals for Raman La-sers / Basiev T. T., Sobol A. A., Zverev P.G., Osiko V. V., Powell R.C. // Appl. Opt. — 1999. — Vol. 38. — P. 594-598. 14 Growth of large dimension BaWO4 crystal by the Czochralski method / Ge W., Jhang H., Wang J., Liu J., Xu X. // J. Crystal Growth. — 2004. — Vol. 270.— P. 582-588. 15 Xiao Qiang, Derby Jeffrey J. Heat transfer and interface inversion during the Czochralski growth of yttrium aluminum garnet and gadolinium gallium garnet / Xiao Qiang, J. Derby Jeffrey // J. Crystal Growth. — 1994. — Vol. 139.— P. 147-157. 16 Banerjee J., Muralidhar K. Role of internal radiation during Czochralski growth of YAG and Nd: YAG crystals / J. Baerjee, K. Muralidhar // Int. J. Thermal Sciences. — 2006. — Vol. 45. — P. 151-167. 17 Chang L. Y. Solid solutions of sceelite with other RWO4 type tungstates / L. Y. Chang // J. the American mineralogist. — 1967. — Vol. 52. — P. 427-435. 18 Numerical simulation of the Czochralski growth process of oxide crystals with a relatively thin optical thickness / Hayashi A., Kobayashi M., Jing C., Tsuka-da T., Hozawa M. // Int. J. Heat Mass Transfer. — 2004. — Vol. 47. — P. 5501-5509. 19 Whiffin P. A. C., Brice J. C. The suppression of thermal oscillation in Czochralski growth / P. A. C. Whiffin, J. C. Brice // J. Crystal Growth. — 1971. — Vol. 10. — P. 91-96. 20 Facetting and optical perfection in Czochralski grown Garnets and Ruby/ Cockayne B., Chesswas M., Gasson D. B. // J. Mat. Sc. — 1969. — Vol. 4. — P. 450-456.
Отрывок из работы

1 Монокристаллы Монокристалл — это отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку. Наиболее характерное свой-ство монокристалла — зависимость большинства физических свойств от направления. Все физические свойства монокристаллов связаны между собой и обусловлены кристаллической структурой [2]. Монокристаллы широко используются в микроэлектронике. Возмож-ность изменять в широких пределах электропроводность полупроводниковых монокристаллов путем введения примесей используют для создания полупро-водниковых приборов. Природные монокристаллы имеют малые размеры и дефекты структуры. Поэтому монокристаллы для технических целей выращи-вают искусственно, в специальных условиях. Монокристаллы металлов и их сплавов не обладают особыми свойствами и практически не применяются. Монокристаллы сверхчистых веществ обладают одинаковыми свойствами независимо от способа их получения. Кристаллизация происходит вблизи температуры плавления (конденса-ции) из газообразного, жидкого и твёрдого аморфного состояний с выделением тепла. Во всех этих случаях механизм роста кристалла, т.е. механизм присоединения атомов питающей фазы к растущему кристаллу, подчиняется законам повторимого роста. Между кристаллом и окружающей его средой всегда существует пере-ходный слой, который образует физическую границу раздела фаз [3]. Все ато-мы или молекулы, переходящие из одной фазы в другую, некоторое время находятся в этом слое, в котором происходят процессы, обуславливающие рост кристалла. Так, например, при выращивании монокристаллов многих полупроводниковых материалов атомы кристаллизующегося вещества выделяются в результате гетерогенной химической реакции, происходящей на поверхности растущего кристалла. При этом в переходном слое устанавливаются сложные химические равновесия, отклонения от которых вызывают резкие локальные изменения в кинетике роста. Таким образом, состав и природа питающей фазы в значительной мере определяют кинетику роста, а изменения состава и внешних условий — воз-никновение различных дефектов. Выбор метода выращивания монокристаллов каждого данно¬го вещества основывается в первую очередь на изучении его фи¬зических и химических свойств. Так, если вещество характеризу¬ется очень высокой температурой плавления, большой упругостью пара и большой химической активностью, то практически процесс выращивания монокристаллов из расплава может ока-заться на¬столько трудно осуществимым, что целесообразнее применить бо¬лее медленные и менее производительные процессы выращивания из паровой фа-зы или из раствора. 2 Процесс кристаллизации Процесс кристаллизации заключается в переходе из жидкого состояния в твердое. При понижении температуры увеличивается вероятность существования образований с упорядоченным строением. При определенной температуре (температуре кристаллизации), термодинамически одинаково вероятно наличие в системе как жидкой, так и твердой фаз. Из рисунка 1 следует, что выше температуры кристаллизации T2 > TE устойчивым является состояние Gж < Gт и наоборот. Таким образом, при температуре TE возможно возникновение кристаллика, который при определенных условиях может расти. Рисунок 1— Изменение свободной энергии в жидком и твердом состоя-ниях При охлаждении жидкости до температуры плавления кристаллизация начинается не сразу. Возникающие в жидкости кристаллические образования непрочны и легко разрушаются. Для образования устойчивых первичных кристаллов необходимо переохлаждение, то-есть некоторое снижение температуры ниже точки плавления. Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия системы при этом уменьшается. Затвердевание или расплавление в процессе изменения температуры объ-ясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах — твердая. В процессе образования зародыша свободная энергия системы с одной стороны возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела «расплав — зародыш» и с другой стороны уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энер-гии ниже. При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твер-дой фаз равны и образование зародыша невозможно, так как нет источника для компенсации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо некоторое переохлаждение расплава. При данной величине переохлаждения термодинамически устойчивыми, то-есть способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер ко-торых превысит так называемый «критический». Критический размер это та-кой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается снижением суммар-ной свободной энергии образования зародыша. 3 Выращивание монокристаллов из раствора Выращивание кристаллов из растворов считают универсальным мето-дом, позволяющим получать образцы кристаллов веществ с любыми темпера-турами плавления, значительно диссоциирующими при плавлении, а также со-единений, образующихся по перитектической реакции. При рассмотрении применимости методов выращивания из растворов монокристаллов соединений с контролируемыми свойствами следует различать следующие случаи: 1) растворителями служат вещества, не входящие в состав выращиваемого кристалла, т. е. раствор, образуется путем растворения шихты заданного состава в выбранном растворителе; 2) растворителем служит один из компонентов выращиваемого соединения. В первом случае выращенные кристаллы содержат в качестве примесей все компоненты раствора, включая и остаточные примеси, имеющиеся во всех веществах, которые образуют раствор. Следовательно, химическая чистота кристаллов неудовлетворительна, и нет каких-либо путей контроля возможных отклонений от стехиометрии. Во втором случае отсутствуют посторонние вещества, и чистота кристалла определяется чистотой компонентов соединения и условиями проведения технологического процесса. Возможность применения этого метода определяется типом диаграммы состояния выращиваемого соединения, поэтому метод менее универсален, чем рост из посторонних растворителей. В некоторых случаях температура кристаллизации очень высока и для подавления диссоциации необходимо проводить процесс под давлением паров летучего компонента здесь возникают такие же затруднения, как и в случае выращивания кристаллов диссоциирующих соединений из их расплавов. Высокие температуры плавления и высокие значения давления диссоциации многих соединений вызывают большие трудности при изготовлении монокристаллов с контролируемыми свойствами методами выращивания из расплавов [4]. Основными препятствиями являются выбор материала для изготовления контейнера для расплава, а также необходимость проведения процесса выращивания монокристаллов в атмосфере паров летучего компонента под строго фиксированным и постоянным давлением [5]. Первое затруднение можно преодолеть, применяя, метод бестигельной плавки. Определение равновесных значений парциальных давлений паров при диссоциации веществ, плавящихся при высоких температурах, является в большинстве случаев крайне сложной операцией, осуществляемой косвенными методами, а потому сопряженной со значительными ошибками измерений. Кроме того, давление паров резко изменяется при изменении температуры, что требует очень тщательной стабилизации температуры источника паров и расплава. Действительно, в случае сильно диссоциирующего соединения при любом отклонении от условий равновесия расплава с паровой фазой состав расплава изменяется [6]. Большинство соеди-нений имеют довольно значительные отклонения от стехиометрии, а изменение стехиометрии чистого расплава вызывает изменение состава кристалла и, следовательно, его свойств. Выращивание монокристаллов из растворов расплавов может осуществ-ляться следующими методами: 1) испарением избыточного, наиболее летучего компонента из раствора при соответствующем градиенте температур; 2) повышением концентрации летучего компонента в растворе при соот-ветствующем градиенте температур путем постоянного изменения давления паров, создаваемого за счет независимого источника; 3) направленной кристаллизацией перенасыщенного раствора; 4) градиентной зонной плавкой. 4 Выращивание монокристаллов из паровой фазы Считается, что выращивание крупных монокристаллов из паровой фазы не может иметь практического использования ввиду малой скорости роста, присущей этому методу. Поэтому процессы роста из паровой фазы считаются применимыми только для выращивания эпитаксиальных пленок и небольших пластинчатых монокристаллов различных веществ. Процессы выращивания монокристаллов из паровой фазы являются не менее чувствительными к колебаниям внешних условий и состава питающей фазы, чем методы выращивания из расплавов [7]. Но влияние этих колебаний может быть значительно меньше из-за малых скоростей роста, которые способствуют приближению к равновесию между наращиваемыми слоями кристалла и паровой фазой. Все методы выращивания монокристаллов из паровой фазы можно разделить на три группы, отличающиеся методом доставки атомов от источника к растущему кристаллу: 1) Состав растущего кристалла практически идентичен составу источни-ка, а паровая фаза состоит только из атомов или молекул, образующих источ-ник и кристалл. Процесс состоит из возгонки или испарения с последующей конденсацией паров. 2) Источник состоит из газообразных молекул сложного состава, содер-жащих атомы кристаллизующегося вещества. Кристалл заданного состава об-разуется в результате химической реакции, происходящей на его поверхности и приводящей к выделению атомов кристаллизующегося вещества. 3) Паровая фаза состоит из молекул, образованных атомами вещества источника и атомами посторонних химических элементов, не входящих в состав кристалла. 5 Получение кристаллов из твёрдой фазы. Рекристаллизационные процессы происходят без изменения фазового состояния [8]. В процессах перекристаллизации используются фазовые превращения. Получение кристаллов из аморфной фазы называется кристаллизацией. Твердофазные методы имеют следующие преимущества: 1) Процесс происходит при температурах существенно ниже температуры плавления. В этом случае можно избежать фазовых превращений и разложения фаз и химических соединений; 2) Форма кристалла определяется заранее и не изменяется в процессе выращивания; 3) Низкие температуры, следовательно, и низкие значения ко-эффициентов диффузии позволяют сохранять заданное распределение примеси даже в тонких слоях. К недостаткам твердофазного получения относятся: 1) Высокая плотность центров кристаллизации (зародышей); 2) Проблемы управления зародышеобразованием; 3) Трудности с выращиванием крупных монокристаллов. Процесс кристаллизации из аморфного состояния обеспечивается повы-шенной энергией аморфной (метастабильной или неравновесной) фазы. Кри-сталлизация возникает с ростом температуры выше некоторого предела, когда становится возможным протекание диффузионных процессов. 6 Получение кристаллов из жидкой фазы Движущей силой процессов кристаллизации из жидкой фазы является разница свободных энергий фаз, которая увеличивается с ростом переохлаждения [9]. Особенность роста из раствора или раствора – расплава необходимое концентрационное переохлаждение, а следовательно, высокая степень зависимости от диффузии, лимитирующей процесс на межфазной границе. Особенно это значимо при выращивании многокомпонентных монокристаллов сложных соединений. Ростом из расплава обычно получают конгруэнтно плавящиеся соедине-ния. Однако если переохлажденный метастабильный расплав достаточно устойчив, то ничто не мешает получать из него конгруэнтно плавящиеся фазы. Рост из раствора или раствора-расплава используется обычно в тех случаях, когда рост из расплава невозможен (конгруэнтно плавящееся соединение, низкотемпературная фаза) или сильно затруднён из–за очень высоких температур плавления, снижения устойчивости соединения, резкого повышения давления паров и т. п. Чтобы монокристалл рос, необходимы два главных условия: наличие монокристаллической затравки или создание условий для роста единичного кристалла и поддержание достаточно медленной скорости выращивания, с учетом анизотропии роста граней кристалла и скорости протекания различных релаксационных процессов [10]. Затравка – затравочный кристалл, на котором начинается рост. Введение затравочного кристалла снимает необходимость переохлаждения для образования критического зародыша. Затравочный кристалл позволяет регулировать структуру растущего кристалла и кристаллографическое направление роста. При кристаллизации из расплава монокристалл растёт за счёт движения расплавленного образца вдоль высокого градиента температур или непрерыв-ного охлаждения затравки. При кристаллизации из раствора понижается температура раствора для создания на фронте кристаллизации (фазовой границе) необходимого концентрационного переохлаждения. При вытягивании кристалла из расплава поддерживается постоянная температура, а растущий кристалл вытягивается в зону более низких температур. Теплоотвод необходимый для роста кристалла, осуществляется вдоль его вертикальной оси. Особенностью вытягивания из раствора является обязательное понижение температуры раствора или раствора–расплава из–за ухода компонентов в твёрдую фазу, следовательно, необходимости поддержания концентрационного переохлаждения. Из–за разной растворимости компонентов в жидкой и твёрдой фазе воз-можна очистка в процессе кристаллизации [11]. Разность концентраций является следствием условий фазового равновесия, в частности, равенства химических потенциалов компонентов, находящихся в разных фазах. В результате на фазовой диаграмме есть две линии двухфазного равновесия: ликвидус и солидус, определяющие составы сосуществующих жидкой и твёрдой фаз. В отличие от метода направленной кристаллизации, при зонной плавке расплавляется не вся заготовка сразу, а только узкая зона, которая движется от одного конца твёрдого изделия до другого. В этом случае в соответствии также происходит очистка слитка. Одно из важнейших достоинств метода зонной плавки — реализация в бестигельном варианте Это очень существенно при получении особо чистых веществ, когда поступление примесей из материала тигля может быть критическим. Бестигельный вариант получения монокристалла возможен также при плавлении в пламени (способ Вернейля). В этом случае на торцевой поверхно-сти вращающейся затравки при помощи пламени нескольких кислородно-водородных горелок создается тонкий слой расплава. Из вибробункера, расположенного над затравкой, на жидкую поверхность подается поток очень мелких частиц исходного компонента, которые разогреваются или даже расплавляются, проходя через пламя. Затравка охлаждается и постепенно опускается вниз, и, благодаря осевому градиенту температур, на поверхности затравки нарастает монокристалл. При выращивании тонких кристаллографических ориентированных слоёв монокристаллов на подложках применяются эпитаксиальные методы. Эпитаксия – процесс ориентированного нарастания, когда образующаяся новая фаза закономерно продолжает кристаллическую решётку фазы-подложки. В результате между фазами образуется переходный эпитаксиальный слой, который способствует когерентному срастанию двух решёток. Один из способов эпитаксиального роста – жидкофазная эпитаксия, когда доставка компонентов к растущему на подложке слою осуществляется через жидкую фазу. Эпитаксиальные способы обычно применяются при получении много-компонентных монокристаллических слоёв или сложнолегированных однокомпонентных. Растворные методы позволяют снизить температуру ростового процесса и выращивать конгруэнтно плавящиеся соединения и низкотемпературные фазы при соответствующем выборе растворителя. Однако в растворных методах управление процессом более сложное и скорости роста ниже. 7 Процессы получения монокристаллов В тех областях техники, где необходимы материалы с уникальными зна-чения свойств и однородностью этих значений по объёму изделия, используются монокристаллические материалы. Такие значения может обеспечить только малодефектная (с учётом анизотропии) структура монокристалла. Основную массу монокристаллов различного химического состава по-требляют микроэлектроника, оптоэлектроника, лазерная и атомная техника. Подавляющее большинство этих монокристаллов относится к полупроводниковым и диэлектрическим материалам. Основные процессы (рисунок 2), которые имеют место при выращивании монокристаллов, на самом деле характерны и для различных технологий получения поликристаллических заготовок.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg