36
значений тех или иных свойств. Затравку выдерживают в жидком металле для
оплавлении и установления равновесия в системе жидкость кристалл. Затем затравку
медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации ( ~ 1-2 мм/мин),
удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более
низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру
затравки. Для получения симметричной формы растущего монокристалла и
равномерного распределения примесей в нем ванна 5 с расплавом вращается со
скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокри-
сталл.
Диаметр растущего монокристалла зависит от скорости выращивания и темпера-
туры расплава. Увеличение скорости выращивания ведет к выделению большей те-
плоты кристаллизации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла,
и, наоборот, уменьшение скорости выращивания
приводит к уменьшению
количества теплоты кристаллизации, понижению температуры расплава и
увеличению диаметра монокристалла.
Очень перспективно выращивание монокристаллов в космосе, где удачно
сочетаются глубокий вакуум и невесомость. Космиче
ский вакуум ло 10
13
Па, практически
недостижимый в земных условиях, спо-
собствует значительной очистке от примесей. Вследствие того, что в невесомости
силы гравитации ничтожно малы, в расплавах практически не возникает конвекции,
которая в земных условиях вызывает нестабильность параметров роста кристаллов.
Нестабильность роста, в свою очередь, служит причиной появления несовершенств
кристаллического строения, неоднородности химического состава и свойств
кристаллов.
Отсутствие
конвекции
не
исключает
образования
микронеоднородностей, вызванных другими причинами.
Однако монокристаллы,
выращенные в космосе, совершеннее по структуре, распределению легирующих
добавок (примесей) и лучше по свойствам, значительно больше по размерам.
Когда французский ученый О. Вернейль сконструировал свою специальную печь (рис.
7.1) с водородно-кислородной горелкой, все ранние способы получения синтетического
рубина были оставлены и началась эра промышленного производства синтетических
драгоценных камней. С тех пор и до настоящего времени метод Вернейля успешно
применяется для получения не только рубина и различных по цвету сапфиров, но также
для производства шпинели, рутила и титаната стронция, что будет описано ниже.
Некоторые характерные признаки (изогнутые линии роста и газовые пузырьки),
отличающие вернейлевские корунды от их природных аналогов, связаны со спецификой
процесса их выращивания, поэтому мы считаем полезным привести его краткое
описание.
Наиболее важное условие этого процесса — чистота шихты, а также кислорода и
водорода, используемых в горелке. Окись алюминия, основную составляющую корунда,
получают из алюмоаммиачных квасцов. Они представляют собой октаэдрические
кристаллы двойного сульфата аммония и алюминия, содержащего кристаллизационную
воду. Их подвергают перекристаллизации для повышения чистоты, а затем прокаливают
в большом тигле при температуре 1100°С. Квасцы разлагаются с образованием
аммиака, двуокиси серы и паров воды, которые улетучиваются. Остается осадок —
чистая окись алюминия в виде неустойчивой гамма-модификации очень мелкого
порошка. Если хотят получить рубин, то в квасцы перед прокаливанием вводят до 8%
окиси хрома, вследствие чего прокаленный продукт приобретает бледно-зеленый цвет.
Для получения синего сапфира в квасцы добавляют окислы железа или титана. Цвет
желтого сапфира создается окисью никеля, александритоподобного корунда — окисью
ванадия и т.д. Готовую шихту в виде порошка загружают в бункер, расположенный в
верхней части печи. Дно бункера представляет собой сито. Горелка находится в
кольцевой камере. Шихта под действием периодического постукивания механическим
молоточком по бункеру начинает падать вниз, проходя через пламя; здесь порошок
плавится. Расплавленная капля, пройдя через круглую камеру плавления, попадает на
керамическую подложку, где сначала образуется большое количество мелких
38
напоминающих черепицу на крыше, тогда как у шпинелевой були видны цепочки
соединенных октаэдров, пересекающихся под углом 90°.
Сш1тетический звездчатый корунд.
В 1947 году появилась серия звездчатых сапфиров и рубинов, изготовленных в виде
буль, содержащих, кроме обычно используемых окрашивающих реагентов, примесь
титана. Отжиг материалов проводили в интервале температур от 1100 до 1500°С в
течение периода времени от 2 до 72 часов. В процессе такой обработки окись титана
кристаллизуется в виде коротких мелких кристаллов рутила, ориентированных под
углами 120° согласно кристаллохимическим направлениям в решетке корунда.
В кабошонах, обработанных таким образом, чтобы их ось совпадала с оптической осью
корунда, видна сверкающая звезда из шести лучей, создаваемая игрой отраженного
света. Таким образом метод Вернейля вторгся в область, где природу, казалось бы,
невозможно изменить.
В 1926 году С. Киропулос предложил способ по выращиванию крупных монокристаллов, используемых
в оптических приборах. Метод Киропулоса относится к методам с неограниченным объемом расплава.
Этот метод заключается в том, что выращивание монокристаллов осуществляется непосредственно
в расплаве путем плавного снижения температуры. Основное преимущество метода Киропулоса
заключается в его технической простоте и надежности. Он экономически выгоден, поскольку возможно
очень эффективное экранирование источника нагрева, в нашем случае мы используем на установках
«Альфа ТМ» керамические экраны.
Метод Киропулоса позволяет выращивать на наших установках высокосовершенные крупногабаритные
монокристаллы лейкосапфира весом 30 кг, 60 кг, 85 кг.
ПРОЦЕСС
Термовакуумная установка «Альфа ТМ» закрывается специальной крышкой, со смотровыми окнами,
для наблюдения за ростом монокристаллов. В процессе кристаллизации избыточное тепло отводится
потоком воды.
Монокристаллическая затравка, закрепленная с помощью затравкодержателя, в водооохлаждаемом
штоке, опускается в расплав находящийся в тигле. На затравке происходит постепенное нарастание
кристалла. При этом кристалл как бы врастает в расплав.
Во время роста, шток с затравкодержателем и кристаллом непрерывно поднимается по заданной
программе пока кристалл полностью не сформируется. Таким образом, при выращивании
лейкосапфира методом Киропулоса диаметр выращенных кристаллов ограничивается лишь размером
тигля.
Dostları ilə paylaş: