Низкочастотная вибрационная активация расплавов в процессе выращивания кристаллов химических соединений методами направленной кристаллизации

• Автор: Суханова, Екатерина Андреевна
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОЦЕССАМ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА (обзор литературы)
1.1 Современные представления о строении жидкости
1.2 Порядок в расплаве
1.3 Вязкости расплава неорганических веществ
1.4 Определение структуры расплава методами рентгеновской
дифракции
1.5 Процессы плавления и кристаллизации в свете структурной теории.
1.6 Современные модели кристаллизации расплавов
1.7 Методы активации расплава при выращивании кристаллов
1.8 Выводы из обзора литературы
2. РАСЧЕТ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ПРОЦЕССЕ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ НИТРАТА НАТРИЯ В КОНФИГУРАЦИИ МЕТОДА ЧОХРАЛЬСКОГО С АКТИВАЦИЕЙ РАСПЛАВА АКИСАЛЬНЫМИ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ ВИБРАЦИЯМИ
2.1 Основные характеристики расчетной модели
2.2 Описание геометрии сетки
2.3 Верификация расчетной модели
. 2.4 Результаты расчета процесса выращивания кристаллов №N
методом АНВ-Ч-Д
2.5 Энергетические особенности применения техники АНВ
2.6 Выводы по главе
3. АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ФАЗ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ АКСИАЛЬНЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВИБРАЦИЙ
3.1 Разработка методики измерений КРС-спектра расплава
3.2 Исследование структуры расплава №Ж>з методом комбинационного рассеяния света

3.3 Структурные особенности расплавов органических соединений
3.4 Анализ кристаллов и расплава нитрата натрия методом рентгеновской дифракции
3.5 Анализ кристаллов нитрата натрия метдом дифференциальной сканирующей калориметрии
3.6 Выводы по главе
4. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
6. ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ II
ПРИЛОЖЕНИЕ III
ВВЕДЕНИЕ
Постоянно растущий спрос на монокристаллы с улучшенным структурным совершенством вынуждает исследователей разрабатывать новые высокопроизводительные способы выращивания. Методы направленной кристаллизации расплавов являются наиболее производительными, и основные усилия направлены именно на совершенствование этих методов [1]. Нестационарные процессы тепломассопере-носа в расплаве приводят к формированию дефектов различной природы в выращиваемых кристаллах [2,3]. Создание условий для контролируемого тепломассо-переноса в расплаве составляет одну из главных проблем, которую в этой связи пытались решить на протяжении последних 50 лет. Были разработаны пассивные и активные варианты воздействия на расплав. Последние заключались в приложении внешних полей: переменного теплового поля, ультразвука, электромагнитного поля, - и различных способов перемешивания, включая вибрационное перемешивание различной частоты и направленности.
Низкочастотные (НЧ) вибрации, приложенные к ростовой системе, при определенной интенсивности могут существенно улучшать качество выращиваемых кристаллов. Под действием низкочастотных вибраций в жидкой фазе формируются вынужденные течения - вынужденная вибрационная конвекция. В 1955 году Б. В. Витовский установил, что при организации вертикальных осцилляции кристалла с частотой 50 Гц и амплитудой 100-500 мкм весовая скорость выращивания кристаллов возрастает до четырех раз [4].
Приложение НЧ вибраций к ростовой ампуле [7-9] или погруженному в расплав инертному телу [10-12] в конфигурации метода Бриджмена позволили вырастить ряд практически важных кристаллов с улучшеннми характристиками. В работах Е.В. Жарикова [16-24] продемонстрированы возможности введения НЧ вертикальных вибраций через растущий кристалл при выращивании кристаллов в конфигурации метода Чохральского.
На кафедре химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева на протяжении последних 20 лет ведутся исследования по разработке новых высокопроизводительных методов выращивания кристаллов из расплавов с использованием аксиальных низкочастотных вибраций (АНВ). К моменту постановки настоящий работы было установлено, что организация контролируемых вибрационных потоков при выращивании кристаллов в конфигурациях Бриджмена и Чохральского позволяет существенно улучшить структурное качество кристаллов и повысить

сти и излучения [112], авторам удалось проанализировать кинетику роста поверхности «кристалл - расплав» как в эксперименте, так и при численном моделировании [115]. Корреляция между экспериментально наблюдаемыми изменениями формы и морфологии фронта кристаллизации и численным моделированием позволили перенести методику на GaSb.Te [114], Ge [115-117], провести для них оценку влияния флуктуаций температуры и температурных условий на морфологию растущей поверхности и распределение легирующего компонента. При выращивании кристаллов GaSb [114] была так же проведена оценка скорости роста и интенсивности конвективных течений в зависимости от морфологии растущего фронта при ячеистом и грубо-ячеистом росте.
1.7.5 Метод вращающейся ампулы
Метод переменного вращающегося тигля (Accelerated Crucible Rotation Technique, ACRT), или метод вращающейся ампулы, впервые был предложен Шее-лем в 1971 году [122] в применении к конфигурации Бриджмена и позже модифицирован Фейгельсоном в метод ортогонально совмещенных вибраций (CVS-coupled vibrational stirring) [147]. Главной задачей этого метода является интенсификация потоков в ростовой ампуле за счет ускорения, создаваемого при изменении и перемене частоты вращения. Гомогенизация температуры и концентрации компонентов в объеме расплава особенно важна при высокотемпературном и рас-плавном росте и обычно ведет к улучшению качества растущих кристаллов и увеличению скорости, что и было продемонстрировано в первых ростовых экспериментах с использованием ACRT [122,123,128]. Потоки, возникающие в расплаве за счет центростремительных сил, имеют форму сильно закрученной спирали, в которой скорость элемента объема расплава зависит от его радиального положения относительно оси ампулы. Изучению потоков во вращающейся ампуле посвящено достаточно много исследований [122,128,129,131,132,141-146], что в частности связано с наличием граничных условий для потоков, сильно влияющих на их структуру, таких как стенки ампулы и фронт растущего кристалла. Весьма сильное влияние на форму и структуру потоков оказывает частота вращения, а также временная форма зависимости направления и частоты вращения ампулы (рис. 1.13). Подбор оптимальной формы такой кривой при заданных параметрах ампулы индивидуален для каждого конкретного материала, и осуществляется как с использованием математического и физического моделирования, так и путем пробных ростовых экспериментов. В последнем случае оценивается продольное и радиальное