Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Локальными макродефектами, т.е. дефектами, размер которых много больше размера атома, чаще всего являются выделения второй фазы, образуемые ионами основных компонентов (например, УАЮз) или ионами примеси, включения материала контейнера, газовые пузыри.
Образование макродефектов, их вид и состав зависят от условий кристаллизации, состава шихты, материала контейнера, состава газовой атмосферы. Причинами образования макродефектов в кристаллах системы АЬОз - Y2O3 являются:
1. Изменение стехиометрии расплава из-за потери кислорода при выращивании кристаллов в вакууме или восстановительной атмосфере.
2. Перенос материала контейнера в расплав, что особенно сильно проявляется при выращивании кристаллов из молибденовых контейнеров.
3. Длительная выдержка расплава при температурах, близких к температуре кристаллизации (состав кристалла нарушается из-за селективного испарения), или переохлаждение расплава.
4. Избыточное содержание примеси-активатора.
5. Распад твердого раствора при длительном высокотемпературном отжиге.
43
Важнейшим процессом, определяющим образование макровключений, является нарушение состава расплава из-за реакций термической диссоциации соединений, составляющих расплав, и взаимодействие продуктов этой реакции с материалом контейнера, газовой атмосферой и кристаллом. Одним из следствий термической диссоциации оксидов в расплаве является образование газовых пузырей, которые скапливаются на фронте кристаллизации и могут захватываться растущим кристаллом. Другим следствием является повышение реакционной способности расплава по отношению к материалу контейнера. Тугоплавкие материалы, из которых могут быть изготовлены контейнеры для выращивания оксидных кристаллов, имеют различную стойкость по отношению к оксидам АЬОз - Y2O3. Эта стойкость убывает в ряду Ir, W, Mo, Nb, Та, Zr. Стойкость контейнера сильно зависит от состава атмосферы. Кроме иридия в качестве материала контейнера часто используется молибден. Сам молибден практически не взаимодействует с АЬОз, но присутствие свободного кислорода в реакционной зоне приводит к окислению молибдена и переходу его в расплав оксидов в виде М0О2. Однако присутствие в расплаве, содержащем АЬОз, вследствие термической диссоциации ионов [А1+], [АЮ3+], [АЮ4+], обладающих сильной восстановительной способностью, приводит к восстановлению М0О2 и выделению молибдена в виде твердой металлической фазы, частицы которой могут захватываться растущим кристаллом.
В образовании газовых включений существенную роль может сыграть присутствие в шихте и газовой среде примесей углерода и водорода. В частности, образование пузырей при выращивании кристаллов методом Вернейля объясняют растворением в кристалле газообразного водорода и воды. Присутствие в шихте углерода может быть причиной образования в расплаве газообразных соединений СО, СО2, а при участии водорода - СН2 и СН4. Пересыщение расплава этими газами приводит к их выделению в виде пузырей и захвату растущим кристаллом.
Распределение газовых пузырей в кристалле зависит от условий выращивания. Кроме хаотичного распределения могут возникать ростовая полосчатость и ячеистая структура. Ростовая полосчатость связана с колебаниями условий кристаллизации. Захват твердых и газовых включений, оттесняемых фронтом кристаллизации, происходит во время ускорения движения фронта. В результате возникают области с повышенной плотностью включений, по форме повторяющие форму изотермы кристаллизации. При выращивании кристалла методом Чохральского периодичность полос роста может задаваться вращением кристалла, колебанием скорости подъема, колебанием мощности нагревателя и т.д. Размер частиц и газовых пузырей, захватываемых кристаллом, определяется амплитудой колебания ре-
44
жима: чем большее расстояние проходит фронт за время одной флуктуации режима, тем большего размера включение может быть захвачено кристаллом. Поскольку рост амплитуды колебаний режима кристаллизации обычно коррелирует с ростом скорости движения фронта кристаллизации, то и размер захватываемых включений обычно возрастает с ростом скорости кристаллизации.
Размер частиц, захватываемых кристаллом из-за колебаний температуры, зависит от градиента температуры на фронте кристаллизации: при данном колебании температуры перемещение фронта кристаллизации AL = (dT/dL)-[AT тем меньше, чем больше градиент температуры. Следовательно, с ростом grad Г критический размер включений, захватываемых в результате температурных флуктуаций, должен уменьшаться.
Другой важнейшей причиной захвата примесей и включений является концентрационное переохлаждение, которое порождает не только ростовую полосчатость, но и ячеистую структуру. Ячеистая (фасетная) структура характерна для кристаллов всех соединений системы АЬОз - Y2O3, выращиваемых из расплава. Ячеистая структура возникает в тех случаях, когда расплав содержит включения, а фронт кристаллизации не гладкий (имеет выступы).
Примеси и включения оттесняются фронтом кристаллизации, и вблизи поверхности роста образуется слой расплава, обогащенный примесями и включениями. Температура ликвидуса в этом слое понижается и любые выступающие части поверхности раздела кристалл
