Метод Бриджмена
Суть данного метода заключается в том, что зарождающиеся в нижней части тигля с расплавом монокристаллы служат затравкой. Тигель опускается в более холодную зону печи. Нижняя часть тигля – коническая. Скорость выращивания – также несколько мм/час.
Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Стокаберга-Бриджмена: 1 - тигель с расплавом, 2 - кристалл, 3 - печь, 4 - холодильник, 5 - термопара, 6 - тепловой экран.
Метод Вернейля
Метод Вернейля реализуется путем просыпки маленьких порций порошковой шихты в трубчатую печь, где эта шихта расплавляется во время падения в кислородно - водородном пламени и питает каплю расплава на поверхности затравки. Затравка при этом вытягивается постепенно вниз, а капля пребывает на одном и том же уровне по высоте печи.
Преимущества:
отсутствие флюсов и дорогостоящих материалов тиглей;
отсутствие необходимости точного контроля температуры;
возможность контроля за ростом монокристалла.
Недостатки:
из-за высокой температуры роста кристаллы имеют внутренние напряжения;
стехиометрия состава может нарушаться вследствие восстановления компонентов водородом и испарения летучих веществ.
Скорость выращивания – несколько мм/час.
На рисунках показан принцип выращивания монокристаллов по методу Вернейля и установочное оборудование.
Метод зонной плавки
Зонная плавка заключается в прогонке зоны расплава по длине заготовки монокристалла, одновременно в зоне расплава концентрируются примеси и происходит очистка кристалла, конечную часть которого затем удаляют. Нагрев осуществляется индукционным, радиационно-оптическим или другим методом.
Схема устройства для зонной плавки: 1 - затравка, 2 - расплав, 3 – поликристаллический слиток, 4 – нагреватель (стрелкой показано направление движения нагревателя).
Система для индукционной зонной плавки германия Гидротермальное выращивание
Гидротермальный метод выращивания кристаллов используется для выращивания кристаллов, которые трудно или невозможно вырастить другими методами, так как наиболее близко имитирует процессы образования минералов в природе. В основе его лежит тот факт, что при высоких температурах (до 700 °С) и давлениях (до 3000 атм.) водные растворы солей способны активно растворять соединения, практически нерастворимые при нормальных условиях. Для гидротермального выращивания кристаллов используют специальные прочные стальные сосуды – автоклавы, способные выдержать такие экстремальные давления и температуры.
Наиболее распространенной является модификация гидротермального метода, называемая методом перекристаллизации в условиях положительного температурного градиента. Суть его заключается в следующем:
Н
а
дне автоклава, нагреваемого снизу и
охлаждаемого сверху, размещается
растворяемое вещество – шихта. Над ней
расположены затравки (пластины, выпиленные
по определенному направлению из кристалла
выращиваемого вещества). В автоклаве
создается разность температур (нижняя
зона более горячая), чему способствует
диафрагма – перегородка с отверстиями,
разделяющая верхнюю и нижнюю зоны.
Раствор циркулирует между гранулами
шихты, насыщаясь веществом выращиваемого
кристалла. Одновременно происходит
нагревание гидротермального раствора.
Горячий (и потому – более легкий) раствор
поступает в верхнюю часть автоклава,
где остывает.
Растворимость кристаллизуемого вещества с понижением температуры снижается, избыток растворенного вещества отлагается на затравки. Холодный высокоплотный обедненный раствор опускается в нижнюю часть автоклава и цикл повторяется. Процесс ведется до полного переноса вещества шихты на затравки. В результате этих процессов и растет кристалл. Скорость выращивания составляет от долей мм до нескольких мм в сутки. Выращиваемые монокристаллы обычно имеют высокое качество и характерную кристаллографическую огранку, т.к. растут в условиях более или менее близких к равновесным.
Схема автоклава для гидротермального синтеза: 1 - раствор, 2 - криcталл, 3 - печь, 4 - вещество для кристаллизации (T1<T2).