Морфология боковой поверхности профилированных монокристаллов лейкосапфира, выращенных способом Степанова

• Автор: Маслов, Виктор Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 173 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 КРИСТАЛЛОГРАФИЯ КОРУНДА (ОБЗОР)
2 ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ СПОСОБОМ СТЕПАНОВА. ПОЛУЧЕНИЕ
ФАКТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
2.1 Способ Степанова
2.2 Выращивание монокристаллических стержней сапфира
3 КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОГРАНЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ
3.1 «Пальцевые» методы
3.1.1 Метод Ретикулярных плотностей
3.1.2 Метод Доннея-Харкера
3.1.3 Метод периодических цепей связей
3.2 Молекулярные методы моделирования
3.2.1 Метод Ненасьиценности связей
3.2.2 Результаты расчетов программой МЕТА018Е
3.3 Методы квантового моделирования
4 ИЗУЧЕНИЕ МОРФОЛОГИИ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
СТЕРЖНЕЙ САПФИРА
4.1 Метод фотогониографии
4.1.1 Исследование огранения монокристаллических стержней сапфира методом фотогониографии
4.1.2 Недостатки метода фотогониографии
4.2 Конструкция видеогониографа [51]
4.3 Видеограммы боковой поверхности монокристаллических стержней сапфира различной
ориентации [51]
4.3.1 Ориентация а [1120]
4.3.2 Ориентация с [0001]
4.3.3 Ориентация т [1010]
4.4 Модель отражения света от боковой поверхности монокристаллических стержней
сапфира
4.4.1 Модель отражения от грани с переходными областями
4.4.2 Моделирование отражения от грани без переходных областей
4.5 Элементы морфологии боковой поверхности кристаллов сапфира
4.6 Результаты и выводы
5 РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭНЕРГИЙ КРИСТАЛЛОВ САПФИРА
5.1 Расчет структуры сапфира известными методами [9,10]
5.1.1 Расчет ретикулярной плотности
5.1.2 Расчет методом Ненасыщенное связей
5.2 Результаты расчетов по существующим методам и экспериментальные данные
5.3 Метод разрыва связей
5.3.1 Принципы метода [53]
5.3.2 Модель и анализ решетки сапфира
5.3.3 Расчет поверхностных энергий наиболее важных плоскостей кристаллов
сапфира
5.3.4 Расчет сечений указательной поверхноста свободных поверхностных энергий
кристаллов сапфира
5.4 Результаты и выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность и степень разработанности темы.
Сапфир (лейкосапфир) - прозрачная бесцветная разновидность синтетического корунда -вещества обладающего уникальными физическими и химическими свойствами. За десятилетия использования сапфира сформировались две основные области его применения: в качестве конструкционного материала с уникальными механическими характеристиками и в качестве оптического материала с не менее уникальными возможностями. Сапфиры часто используют в ювелирной отрасли, различными методами изменяя его окраску. В технике сапфир занимает отдельную нишу: часовые камни, часовые «стекла», приборные камни (опоры различных механизмов), резцы, подложки для микросхем, химическая посуда, капилляры для исследования микровзрывов, волокна (композиционного материала), термопарные чехлы. В оптике: окна, окна с клином, линзы и призмы, световоды, фокусирующие конусы, мениски, оболочки ламп, рентгеновские интерферометры, сцинтилляторы, люминесцентные экраны и др. В медицине -сапфировые имплантаты.
Одной из проблем, с которыми сталкивается промышленность - это сложность обработки монокристаллов сапфира вследствие их высокой твёрдости. Эту проблему решает метод выращивания кристаллических изделий, предложенный в 1938 г. [1] Александром Васильевичем Степановым. Он позволяет получать монокристаллы заданной формы непосредственно из расплава. Этим способом получены монокристаллы широкого круга полупроводниковых, щелочноголоидных, и оксидных материалов.
Управление формой кристалла в способе Степанова достигается за счет использования специального элемента - формообразователя, который формирует жидкий столб расплава с сечением, соответствующим сечению выращиваемого кристалла. Однако, для монокристаллов характерна анизотропия свободной поверхностной энергии, которая приводит к развитию на их поверхности естественных граней и других морфологических особенностей, что влияет на результирующую форму кристаллического изделия. В ряде случаев такие особенности приводят к отклонению формы выращиваемого кристалла от формы, заданной формообразователем. Так, наличие плоских граней на круглом стержне - это отклонение от цилиндричности.
В других случаях наоборот, гранная форма является желательной. Примером может служить выращивание базисноограненных лент сапфира, поверхность, которых не просто гладкая, а образована атомно-гладкой базисной гранью {0001} данного кристалла. Такие кристаллические изделия могут быть использованы без какой-либо дополнительной обработки как оптически прозрачные изделия или в качестве подложек в микроэлектронике. Таким образом,

4.1.1 Исследование огранения монокристаллических стержней сапфира методом фотогониографии
В работе [6] приведены результаты изучения методом фотогониографии огранения боковой поверхности монокристаллических стержней сапфира различной ориентации (направления вытягивания).
4.1.1.1 Кристаллы ориентации с [0001]
В первом разделе статьи [6] приводятся фотограммы монокристаллических стержней сапфира, выращенных способом Степанова. В [6] рассмотрены ориентации: с, как наиболее практически важная; а и т.
Фотограмма кристалла сапфира ориентации с, выращенного с использованием формообразователя диаметром 9,2 мм, приведена на рисунке 13. Буквенные обозначения граней даны по [8].
а г" а та г" а т а г” а
♦ НИН и ♦♦♦
6 с/ с* с* с/ с/ 6 с# с/ с/ с/ с/
I иЛ-иЛ и I 1.1..1 и 1 I г-1..дл—1..Л.Х.1-Х-1.1 I I 1 II I I 1.
О 90 180 270

Рис. 13. Фотограмма монокристаллического стержня сапфира ориентации с [0001]. фа — угол на фотограмме, заданный в градусах [6].
Было выявлено, что в огранении боковой поверхности принимают участие только грани трех типов. Грани ромбоэдра г, проявляющиеся в этой ориентации в виде наклонных граней на