Скоростное выращивание кристаллов

Незначительные скорости роста качественных кристаллов при использовании описанных выше традиционных методик (0,5—1 мм/ сут) приводят к тому, что полный ростовой цикл может занимать 1—2 года. Необходимость поддержания бесперебойной и стабильной работы оборудования на протяжении такого длительного срока приводит к высокой стоимости полученных кристаллов. С развитием промышленного производства кристаллических материалов актуальной становится проблема повышения скоростей роста высококачественных монокристаллов. В связи с этим, благодаря существенному прогрессу в понимании физико-химических аспектов кристаллизации, с 1980;х гг. стал активно развиваться метод так называемого скоростного выращивания кристаллов. В частности, группой сотрудников физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова на примерах дигидрофосфатов калия (KDP) и аммония (ADP) разработаны приемы, обеспечивающие юз рост монокристаллов из растворов со скоростями, на порядок превышающими обычные. Как показали эксперименты, эта новая методика может быть использована для получения широкого круга материалов из водных растворов. Выращивание монокристаллов KDP и ADP, обеспечивающее скорости более 50 мм/сут, проводится в «экстремальных» по сравнению с традиционными методиками условиях: температурный интервал — 80—85°С, пересыщение — до 40%. Поскольку механизм роста кристаллов KDP и ADP, как правило, дислокационный, нормальная скорость роста их граней напрямую зависит от угла наклона дислокационных холмиков р и тангенциальной скорости роста элементарной ступени V. Соответственно, увеличение этих параметров будет приводить к повышению скорости роста. Однако напрямую воздействовать на скорость роста кристалла путем увеличения крутизны дислокационного холмика затруднительно из-за сложной зависимости между структурой холмика, пересыщением и температурой.

При кинетическом режиме кристаллизации тангенциальная скорость V, как было показано теоретически и экспериментально для многих систем, линейно связана с пересыщением а выражением.

где b есть некая константа для данного вещества; (3 — кинетический коэффициент кристаллизации (ККК), (3₀ = const,.

где Е_а — энергия активации. Согласно (3.1) и (3.2), возрастания скорости V следует ожидать при повышении либо а, либо Г. Поскольку пересыщение оказывает на процессы роста основное действие, являясь движущей силой кристаллизации, то именно его изменение — хорошо известный путь увеличения скорости роста. Смещение же ростового процесса в область более высоких температур влияет на скорость роста посредством возрастания ККК. На практике это приводит к тому, что при более высоких температурах требуется более низкое пересыщение для получения той же самой скорости роста.

Помимо рассмотренных факторов, на скорость роста кристаллов оказывают влияние присутствующие в растворе примеси и массоперенос или гидродинамические условия. Таким образом, повышение степени очистки исходных материалов и активное перемешивание раствора, смещающее ростовой процесс в область кинетического режима, может несколько увеличивать интенсивность осаждения вещества на гранях кристаллов. Вместе с тем варьирование в широких пределах количеств примеси и гидродинамического режима недопустимо из-за ухудшения оптического качества кристаллов. В результате изменение таких параметров, как химическая чистота реактивов, дислокационная структура и гидродинамические условия, не оказывает существенного влияния на скорости роста. Значительного увеличения скорости роста следует ожидать только при повышении пересыщения. Однако в условиях столь значительных отклонений растворов от равновесия проблема их устойчивости к спонтанному зародышеобразованию встает достаточно остро. И в связи с этим именно перемешивание раствора следует рассматривать как серьезный внешний фактор, препятствующий спонтанному зарождению вплоть до очень больших пересыщений.

Еще одной отличительной особенностью скоростных методик является использование точечных затравок (обычно около 1 см³), позволяющее существенно сузить околозатравочную дефектную зону регенерации и получать кристаллы с более низкой плотностью дислокаций.