Большая Советская Энциклопедия (МО) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 161

Монокорунд

Монокору'нд , искусственный абразивный материал , разновидность электрокорунда с содержанием в зерне 97—98% Al2 O3 .

Монокристалл

Монокриста'лл, отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств (см. Кристаллы ). Внешняя форма М. обусловлена его атомнокристаллической структурой и условиями кристаллизации . Часто М. приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных М. могут служить М. кварца , каменной соли , исландского шпата , алмаза , топаза . От М. отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких М.

  М. ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн, кварц — пьезоэлектрик (см. Пьезоэлектричество ). М. способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). Поэтому изделия и элементы, изготовленные из М., применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике , акустике, вычислительной технике и др. Первоначально в технике использовались природные М., однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В то же время многие ценные свойства были найдены только у синтетических кристаллов. Поэтому появилась необходимость искусственного выращивания М. Исходное вещество для выращивания М. может быть в твёрдом (в частности, в порошкообразном), жидком (расплавы и растворы) и газообразном состояниях.

  Известны следующие методы выращивания М. из расплава: а) Стокбаргера; б) Чохральского; в) Вернейля; г) зонной плавки . В методе Стокбаргера тигель с расплавом 1 перемещают вдоль печи 3 в вертикальном направлении со скоростью 1—20 мм/ч (рис. 1 ). температура в плоскости диафрагмы 6 поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Т. к. тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней М. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных М. флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др.

  В методе Чохральского М. медленно вытягивается из расплава (рис. 2 ). Скорость вытягивания 1—20 мм/ч. Метод позволяет получать М. заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании М. иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых М. А. В. Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания М. с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых М.

  Метод Вернейля бестигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2—100 мкм ) из бункера 1 (рис. 3 ) через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного монокристалла 2, медленно опускающегося с помощью механизма 5 . Метод Вернейля — основной промышленный метод производства тугоплавких М.: рубина , шпинелей , рутила и др.

  В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают М. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых М. (В. Дж. Пфанн, 1927), а также тугоплавких металлический М. молибден , вольфрам и др.

  Методы выращивания из раствора включают 3 способа: низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.), высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) и гидротермальный. Низкотемпературный кристаллизатор представляет собой сосуд с раствором 1, в котором создаётся пересыщение, необходимое для роста кристаллов 2 путём медленного снижения температуры, реже испарением растворителя (рис. 4 ). Этот метод используется для получения крупных М. сегнетовой соли, дигидрофосфата калия (KDP), нафталина и др.

  Высокотемпературный кристаллизатор (рис. 5 ) содержит тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация). Метод применяется для получения М. железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых плёнок.

  Гидротермальный синтез М. основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры. Необходимые для образования М. концентрация вещества в растворе и пересыщение создаются за счёт высокого давления (до 300 Мн/м2 или 3000 кгс/см2 ) и перепадом температуры между верхней (T1 ~ 250°C) и нижней (Т2 ~ 500 °С) частями автоклава (рис. 6 ). Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства М. кварца.

  Методы выращивания М. из газообразного вещества: испарение исходного вещества в вакууме с последующим осаждением пара на кристалл, причём осаждение поддерживается определённым перепадом температуры Т (рис. 7 , а); испарение в газе (обычно инертном), перенос кристаллизуемого вещества осуществляется направленным потоком газа (рис. 7 , б); осаждение продуктов химических реакций, происходящих на поверхности затравочного М. (рис. 7 , в). Метод кристаллизации из газовой фазы широко используется для получения монокристальных плёнок и микрокристаллов для интегральных схем и др. целей.

  Выбор метода выращивания М. определяется требованием к качеству М. (количество и характер присущих М. дефектов). Различают макроскопические дефекты (инородные включения, блоки, напряжения) и микроскопические (дислокации , примеси, вакансии ; см. Дефекты в кристаллах ).

  Существуют специальные методы уменьшения числа дефектов в М. (отжиг, выращивание М. на бездефектных затравочных кристаллах и др.).

  При выращивании М. используются различные способы нагревания: омический, высокочастотный, газопламенный, реже плазменный, электроннолучевой, радиационный (в т. ч. лазерный) и электродуговой.

  Лит.: Бакли Г., Рост кристаллов, пер. с англ., М., 1954; Лодиз Р. А., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1973; Маллин Дж., Кристаллизация, пер. с англ., М., 1966; Шубников А. В., Образование кристаллов, М. — Л., 1947; его же, Как растут кристаллы, М. — Л., 1935; Пфанн [В. Дж.], Принципы зонной плавки, в кн.: Германий, сб. переводов, М., 1955 (Редкие металлы), с. 92. См. также лит. при ст. Кристаллизация .

  Х. С. Багдасаров.

Рис. 3. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Вернейля: 1 — бункер; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — свеча; 5 — механизм опускания; 6 — механизм встряхивания.

Рис. 2. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Чохральского: 1 — тигель с расплавом; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — холодильник; 5 — механизм вытягивания.