Рост алмаза и графита из газовой фазы - Дерягин Б.В.
Скачать (прямая ссылка):
107
Рнс. 60. Изометричиый кристалл алмаза диаметром 20 мм Снимок сделан в сканирующем электронном микроскопе
В нашем случае углеродсодержащий газ разлагается на поверхности расплавленного металла, углерод растворяется в металле, диффундирует через него и высаживается на поверхности затравки. Были получены нитевидные кристаллы алмаза с капельками застывшего металла на вершине. Положительные результаты дали металлы, хорошо растворяющие углерод и смачивающие алмаз: никель, железо, марганец, тогда как в случае расплавленного золота никаких образований получено не было [94]. Очевидно можно считать, что одним (но не единственным) из возможных механизмов роста алмазных нитевидных кристаллов является механизм по методу УЬБ.
Роль промежуточной металлической фазы для выращивания алмаза можно объяснить тем, что поверхностная энергия на границе металл—графит намного больше, чем на границе графит—газ, в результате чего резко увеличивается работа образования зародышей графита, а его выделение подавляется.
Значительный интерес представляет факт превращения нитевидных кристаллов в изометричные [95]. На рис. 60 приведена фотография изометричного кристалла алмаза диаметром 20 мкм, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Было обнаружено, что первоначально растет нитевидный кристалл, затем его рост останавливается, и он превращается в изометричиый. Подобный процесс, когда из вискера вырос ограненный кристаллик средним размером 0,1 мм, наблюдался в микроскоп. Этот кристаллик В. Г. Лютцау исследовал микрорентгенографиче-ски по методу Лауэ (на прохождение) в трех местах: у его вершины,
108
в середине и у основания [95]. Использовалась рентгеновская острен фокусная трубка БСВ-5 с молибденовым анодом (аппарат АРС-4). Применялась рентгеновская микрокамера, которая позволяла локализовать площадь исследуемого участка на кристаллике до 12 мкм в диаметре. Кассета с пленкой располагалась на расстоянии 5 мм от объекта; оптическая система камеры позволяла устанавливать участки кристаллика для исследований с точностью до нескольких микрометров.
Рентгеновский пучок ориентировался в направлении, совпадающим с осью [111]. Как следовало из рентгенограмм, все три исследуемых участка представляли собой монокристаллические области, соответствующие ориентации в направлении первичного пучка рентгеновских лучей. Это свидетельствует о том, что выросший ИЗ газовой фазы кристалл, а следовательно, и образовавшийся в начале вискер являются единым монокристаллом. Некоторая вытяну-тость лауэ-пятен свидетельствует об искажении кристаллической решетки (астеризме) исследованного кристаллика.
Известно, что алмаз может кристаллизоваться в природных условиях в виде сферолитов [54]. О том, что при кристаллизации кремния из газовой фазы получаются образования сферической формы, также известно (см., например, [96]). Однако в рассматриваемом случае получены изометричные кристаллы в заведомо метастабиль-ных условиях.
Возможность роста нитевидных кристаллов алмаза под каплями металлов по механизму УЬБ экспериментально доказана. В то же время нельзя отрицать возможности роста по дислокационному механизму. Так, число кристалликов, выросших на поверхности затравочного монокристалла, близко к числу дислокаций в природном алмазе [97] и составляет приблизительно ЮЧсм2. Алмазная пленка может наследовать дислокации подложки [98]. Кроме того, даже в самых чистых условиях проведения экспериментов, выделяющийся графит будет служить своего рода примесью, блокирующей рост нитевидного кристалла алмаза. Влияние примеси на рост нитевидных кристаллов рассмотрено в работах [99].
При описании изометричных кристаллов алмаза нельзя обойти вниманием тот факт, что при наращивании высокодисперсных алмазных порошков образуются трудноразрушаемые комочки. Даже если перед экспериментом порошок тщательно растерт, после проведения опыта комочки всегда возникают. Очевидно, здесь имеет место спекание через выделившуюся новую фазу.
При описании роста графитовых нитевидных кристаллов уже указывалось на специфическое воздействие лучистого нагрева на кристаллизацию из газовой фазы. Теоретически этот вопрос рассмотрен в работе [100] в применении к кристаллизации кремния из газовой фазы. Экспериментально было установлено, что скорость роста кремния при лучистом нагреве превышает скорость роста кремния в аналогичных условиях (давлении, температуре) при использовании омического нагрева [101]. Это находит свое объяс-
109
Рис. 61. Покрытие из рутила на поверхности непрерывного волокна (X 200)
иение в электронной теории катализа и адсорбции Ф. Ф. Волькен-Штейна [102]. Действительно, воздействие облучения вызывает увеличение плотности хемосорбированных атомов, что приводит к увеличению скорости роста. При этом увеличивается лишь предъ-экспоненциальный множитель, но энергия активации остается неизменной, как и наблюдается экспериментально.
В заключение сделаем несколько замечаний об использовании лучистого нагрева. В применении к гетерогенной кристаллизации этот метод представляется весьма перспективным. Поэтому в ИФХ АН СССР, в Отделе поверхностных явлений, были развиты различные методы лучистого нагрева для проведения исследований по физико-химической кристаллизации. Оптические печи на основе ксено-иовых ламп высокого давления описаны в работе [103]. Установка иа основе инфракрасного лазера описана в главе II.
