Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Первое описание процесса выращивания кристаллов гадолиний-галлиевого граната было дано Линаресом в 1964 г. [84]. Влияние условий роста на характеристики и дефектность структуры кристаллов ГГГ изучалось в ряде работ [85 - 95]. Показано, что качество кристаллов сильно зависит от стехиометрии расплава, состава атмосферы и формы фронта кристаллизации. Температура конгруэнтного плавления ГГГ, полученная разными авторами, колеблется от 2038 [84] до 2098 К [85]. По-видимому, значение 2073 К, полученное в работе Аллиберта и др. [96], наиболее близко к реальной температуре
2.2.2. Выращивание и ростовые дефекты кристаллов
ГАЛЛИЕВЫХ ГРАНАТОВ
79
плавления. Кристаллы ГГГ обычно выращиваются из шихты стехиометрической смеси оксидов СагОз и GchCh. Содержание посторонних примесей в шихте не должно превышать 1 (И ат. долей. При выращивании кристаллов методом Чохральского скорость вытягивания составляет 4...6 мм/ч; скорость вращения затравки от 10 до 100 оборотов в минуту. Направлением роста чаще всего выбирается <111>. Ростовыми дефектами в кристаллах ГГГ являются: объемный дефект, происхождение которого уже обсуждалось применительно к кристаллам граната, микровключения материала тигля (1г) и оксидов СагОз и GchCb, дислокации.
Важнейшим фактором, определяющим качество кристаллов галлиевых гранатов, является возможность диссоциации оксидов, входящих в состав расплава. Парциальное давление диссоциации GchCh при температуре расплава ГГГ на пять порядков ниже, чем парциальное давление диссоциации GaiCh, поэтому на изменение состава расплава при выращивании ГГГ основное влияние оказывают диссоциация СагОз и его взаимодействие с материалом тигля [95], что описывается реакциями:
Для подавления диссоциации оксида галлия при выращивании галлиевых гранатов используется защитно-восстановительная атмосфера, содержащая азот с добавкой 2...3 % кислорода. Присутствие кислорода в газовой фазе заметно влияет на процессы диссоциации оксида Ga2C>3. При высоких температурах реакция (2.10) сдвигается вправо. Повышение давления кислорода ведет к снижению давления Ga20 и повышению давления IrCb. Оксиды иридия при высоких температурах (Т > 2100 К) достаточно стабильны, но при снижении температуры они начинают разлагаться с образованием металлического иридия, выделение которого можно видеть на фронте кристаллизации и на холодных частях оборудования. Показано [85, 86], что плотность включений в кристаллах, выращенных при избытке 4 % в расплаве СагОз и содержании кислорода в атмосфере 2 % такая же, как и при избытке Gd203 и содержании кислорода 0,5 %. Это означает, что избыток СагОз проводит к возрастанию парциального давления Ga20 и Ог, а избыток Gd203 снижает парциальное давление GaiO.
При выращивании ГГГ в составе атмосферы вместо кислорода может быть использован СОг. Для поддержания необходимого парциального давления кислорода (8 • 10 3 при 2100 К) в атмосфере выбирается соотношение СО2: N2 =1:1. Атмосфера, содержащая СОг, имеет преимущество перед атмосферой, содержащей кислород, так как реакция диссоциации СО2 зависит от температуры, что позволяет поддерживать более низкое давление кислорода у холодных частей контей-
80
СагОз — вагО + О2;
СагОз + 1г = 1гОг + СагО.
(2.9)
(2.10)
нера и аппаратуры. Экспериментально показано, что оптимальным при выращивании ГГГ является стехиометрический состав и содержание кислорода в атмосфере около 1 % [86, 95]. Кристаллы при этом получаются свободными от включений и мало дислокационными.
Центральный дефект (наряду с ростовой полосчатостью) является основным источником напряжений в кристаллах гранатов, выращиваемых методом Чохральского. Как уже отмечалось при рассмотрении макродефектов в ИАГ, образование центрального дефекта (фасеток) определяется формой фронта кристаллизации. Как и в ИАГ, фасетки в ГГГ образуются вследствие огранки кристалла гранями простой формы {112} в областях сближения направления этих граней и фронта кристаллизации.
Выращивание кристаллов ГГГ без центрального дефекта особенно важно, если кристаллы используются в качестве подложек при получении пленок ферромагнитных гранатов. Для устранения центрального дефекта необходимо обеспечить выращивание кристалла с плоским фронтом кристаллизации. Форму фронта кристаллизации и, следовательно, возможность устранения центрального дефекта, определяют три основных фактора: скорость вращения кристалла, градиент температуры и диаметр кристалла. Результаты исследования влияния этих факторов на форму фронта кристаллизации при выращивании кристаллов ГГГ показаны на рис. 2.26 и рис. 2.27 [98].
Л, мм
О,
25
го
13
10
Рис. 2.26. Влияние аксиального температурного градиента на образование центрального дефекта в кристаллах ГГГ при скорости вытягивания 4 мм/ч:
0 - град Т = 140 град/см; • - град Т = 100 град/см
Рис. 2.27. Влняние скорости вращения vR на образование центрального дефекта при различных скоростях вытягивання (v) кристаллов ГГГ (D - диаметр кристалла): grad Т = 140 град/см; ° - v = 4 мм/ч; • - v = 6 мм/ч
Кристаллы без центрального дефекта
