ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 118
Скачиваний: 0
Р . лодиз
РОСТ
МОНОКРИСТАЛЛОВ
ПР Е Д И С Л О В И Е АВТОРА
КРУССКОМУ И З Д А Н И Ю
О содержании, целях книги и об обстановке, в которой она появилась, уже говорилось в предисловии к английскому из данию. Автору особенно приятно, что «Рост монокристаллов» теперь будет издан на русском языке. Советские ученые уже давно находятся на переднем крае исследований по росту кри сталлов, и автор многое почерпнул из их работ. Хочется на деяться, что они найдут эту книгу полезной. Автор особенно хотел бы поблагодарить А. А. Чернова, А. Н. Лобачева и их коллег по Институту кристаллографии АН СССР Е. И. Гиваргизова, Л. Н. Демьянец, В. А. Кузнецова, И. П. Кузьмину, А. М. Мельникову за перевод книги. Кроме того, автор благо дарен ряду читателей английского издания, которые указали на ошибки, исправленные при переводе. Особенно удачно, что этот перевод выходит в свет вместе с «Механизмами роста кри сталлов» Р. Л. Паркера. Надо надеяться, что вместе эти работы дадут адекватную картину современной теории, методик и прак тики. В связи с этим хотелось бы обратить внимание читателя на обзор «Рост кристаллов» Р. А. Лодиза, Дж . Р. Каррузерса
и К. А. Дженсона (в книге |
Annual Review of Materials Science, |
||
eds. R. Muggins, R. Bube |
and R. Roberts, Vol. 1, |
Palo |
Alto, |
Calif., 1971, p. 253), который посвящен последним |
результатам, |
||
появившимся после выхода |
книги «Рост монокристаллов». |
||
|
Р. А. |
Лодиз |
|
ИЗ П Р Е Д И С Л О В И Я АВТОРА К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ
Эта книга ') предназначена для всех желающих выращивать монокристаллы, — как для тех, кто считает выращивание кри сталлов своей основной профессией, так и для тех, кто хочет получить кристаллы для исследования их свойств и приходит к необходимости выращивать их самому. Предполагается, что читатель знаком с основами физической химии, но это не обя
зательно, |
особенно если читатель обратит |
серьезное внимание |
|||
на гл. 2 и 3 и приведенные в них ссылки. |
|
|
|||
Книгу |
можно использовать в |
следующих |
направлениях: |
||
1. |
Как |
основной или факультативный |
курс для оканчиваю |
||
щих |
или |
окончивших ВУЗ по |
отделению |
материаловедения. |
|
В сочетании с соответствующей учебной лабораторной или ис следовательской работой его можно использовать для подго
товки лиц с редкой и крайне необходимой |
специальностью — |
||||||||
«рост |
кристаллов». |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Как |
руководство для специалиста |
по |
росту |
кристаллов. |
||||
В гл. 1—3 |
материал |
суммирован на |
основе |
понятий |
кристал |
||||
лического |
состояния, |
термодинамики и |
кинетики в |
общем |
виде, |
||||
а не в конкретной форме, пригодной |
для |
практической |
повсе |
||||||
дневной работы. В |
остальных главах |
обсуждаются |
основные |
||||||
методы, причем материал организован таким образом, чтобы помочь специалисту по росту кристаллов логически выбрать ме тод выращивания и последовательно рассмотреть теоретические основы каждого метода, насколько это возможно в настоящее время.
3. Как справочное пособие по методам выращивания разных материалов. Рассмотрена теория каждого из основных методов, описано оборудование, обсуждены методики и описано выращи вание типичных кристаллов.
Если читатель сочтет |
за лучшее не читать |
книгу |
от |
корки |
до корки, мы советуем |
прочесть или хотя бы |
бегло |
просмот |
|
реть вводный материал к главе, в которой описывается |
особен |
|||
но интересующий его метод или кристалл. |
|
|
|
|
*) Книга Лодиза. — Прим. ред.
12 |
И З П Р Е Д И С Л О В И Я А В Т О Р А К А Н Г Л И Й С К О М У И З Д А Н И Ю |
Эта книга не энциклопедия. Необходимость быть кратким, дать критический обзор положения дел, включение подготови тельного материала и попытка представить методологию выра щивания кристаллов как логичную, внутренне связанную область знания заставили автора отказаться от попыток описать каждый из когда-либо выращенных кристаллов, хотя большинство мате риалов, ценных на сегодняшний день для практических и ис следовательских целей, нашли отражение в книге. Тем не менее просмотр периодической литературы перед началом экспериментальной работы остается необходимым.
Главы 1—3 написаны с точки зрения требований специа листа по выращиванию кристаллов. Если ваши основные интересы лежат в области исследования совершенства кристал лов, термодинамики или теории кристаллизации, необходимо ознакомиться с более полными работами по этим предметам.
Любая работа — это в значительной степени продукт той обстановки, в которой она выполнялась. Предложенная книга в значительной степени является результатом более чем деся тилетнего участия в работах фирмы «Белл телефон лейбораториз» по выращиванию монокристаллов для исследовательских и практических целей. Представленные материалы и иллюстра ции в подавляющем большинстве подобраны на основании опыта. Осуществляя такой отбор, я сожалел, что незнаком со многими хорошими работами в других лабораториях и потому мог упустить некоторые из них. Я не предполагал давать оценки значения работ и не принадлежу к числу историков науки. Длинные исторические разделы опускались, если они не были полезны по существу дела. Ссылки главным образом пресле дуют цель подвести читателя к богатой палитре современных материалов, которые не нашли достаточного отражения в тек сте, а не дать окончательное суждение по приоритетным воп росам.
Разделы книги критически просмотрели некоторые мои кол леги, предложения которых принесли мне неоценимую пользу.
Р. А. Лодиз
Мюррей-Хилл, шт. Нью-Джерси
I
МОНОКРИСТАЛЛЫ
Кристаллы интересовали человека своей красотой и ред костью с доисторических времен, но широкое использование они получили главным образом благодаря нуждам физики твер дого тела, которой кристаллы требовались как материалы для исследования и изготовления приборов.
В задачу настоящей книги входит рассказать о том, как вы ращивать кристаллы, и изложить основные представления о со вершенстве кристаллических материалов, термодинамике, ки нетике процессов роста, теории различных методов, требую щиеся тому, кто хочет стать грамотным «ростовиком».
Гл. 1 посвящена вопросам распознавания кристалличности материала и определения совершенства кристаллов. В гл. 2—3 обсуждается термодинамика и кинетика кристаллизации, тогда как в остальных главах детально рассматриваются различные способы выращивания кристаллов и особенности роста кон кретных материалов.
1.1. ЧТО ТАКОЕ КРИСТАЛЛ?
Вещество может существовать в трех |
агрегатных состоя |
ниях — твердом, жидком и газообразном. |
В газообразном со |
стоянии молекулы отстоят друг от друга на сравнительно боль шое расстояние (около 3-10~9 м при атмосферном давлении). При столь большом взаимном удалении молекулы сравнительно слабо взаимодействуют друг с другом и потому свободно пере мещаются в любом направлении. Следовательно, газ характе ризуется очень малой вязкостью и стремится полностью запол нить сосуд любого размера и любой формы, в который он заключен. Молекулы в газах располагаются практически совер шенно хаотично. В жидкостях же молекулы' (или атомы) от стоят друг от друга на расстояние около 10~10 м, и, следователь но, они взаимодействуют друг с другом гораздо сильнее, чем в газах. Таким образом, жидкость обладает более высокой вяз костью и не стремится целиком заполнить сосуд, в котором она находится. В жидкости существует ближний порядок, но он
14 |
Р . Л О Д И З . Р О С Т М О Н О К Р И С Т А Л Л О В |
распространяется на расстояния не более нескольких атомных диаметров от данного атома. В твердом теле промежутки между атомами приблизительно такие же, как и в жидкостях, но взаимодействие атомов сильнее. Так, атомы в твердом теле со вершают только колебательные движения с крайне малой ам плитудой около неподвижных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют свою форму, обладают жесткостью и механической прочностью. Вместе с тем кристаллическое твер дое тело характеризуется дальним порядком, распространяю щимся на много атомных диаметров. Если внутреннюю энергию кристаллического твердого тела повысить путем нагревания, то при определенной для данного давления температуре оно
|
а |
б |
|
|
в |
Ф и г . 1.1. |
Схематическое |
строение |
газа (а), |
жидкости |
(б) и твердого |
|
|
тела |
(в). |
|
|
начинает |
плавиться. В |
редких |
случаях |
наступает |
сублимация |
в газообразное состояние. Дальнейшее возрастание внутренней энергии приведет к испарению материала. При заданной тем пературе газ или пар данного вещества находится в равновесии с его твердой фазой при определенном давлении. Таким об разом, если говорить о внутренней энергии того или иного ве щества, то его внутренняя энергия в газообразном состоянии больше, чем в жидком, а в жидком больше, чем в твердом состоянии.
Есть еще один класс материалов, часто называемых аморф ными твердыми веществами (стекла, воск, смолы); у них столь большая вязкость, что они ведут себя практически подобно твердым телам. Такие материалы не обладают характерными температурами плавления и, подобно жидкостям, отличаются наличием ближнего порядка. Такие вещества часто удобно трак товать как переохлажденные жидкости.
На фиг. 1.1 схематически изображено строение газа, жид кости и твердого тела. Аморфные вещества имеют такое же строение, как и жидкости. Представление о разнице между кристаллическим твердым телом и жидкостью поможет соста-
|
|
1. М О Н О К Р И С Т А Л Л Ы |
|
15 |
|
вить |
график |
радиального |
распределения |
(фиг. 1.2), |
на котором |
число атомов нанесено в зависимости |
от расстояния до дан |
||||
ного |
атома |
для твердой |
(кристаллической) (а) и |
жидкой (б) |
|
фаз калия. В кристалле высокая степень упорядочения наблю дается даже на расстояниях между атомами, превосходящих
показанные на фиг. 1.2 удаления, в то |
время как в жидкости |
(или в аморфном твердом теле), как |
можно видеть, суще |
ствует лишь ближний порядок. |
|
I
3 W
Ф и г . |
1.2. Радиальное распределение атомов |
калия |
в кристаллическом (а) |
|
|
и |
жидком (б) состояниях ( l А = |
Ю - 1 0 |
м) [1]. |
Интересно, |
что имеется целый класс материалов, называе |
|||
мых |
жидкими |
кристаллами [2], которые по |
своим свойствам |
|
занимают промежуточное место между жидкостями и кристал лами. Такие вещества обладают текучестью подобно жидкостям, но в отличие от истинных жидкостей они изотропны не по всем своим свойствам. Один способ трактовки жидких кристаллов состоит в том, чтобы рассматривать последние как обладающие одноили самое большее двумерным упорядочением, в то время как для истинных кристаллов характерен порядок во всех трех измерениях.
Остановимся вкратце на природе упорядоченного располо жения атомов в кристалле. Подробнее с этой стороной дела можно ознакомиться по учебникам Бюргера [3] или Липсона и Кокрена [4]. Кристалл можно охарактеризовать, описав распо ложение или распределение образующих его атомов. Их рас положение часто описывают посредством понятия элементарной