Файл: Лодиз, Р. Рост монокристаллов.pdf

k1

Расстояние —*-

Ф и г . 3.11. Изменение концентрации в зависимости от расстояния (концен­ трационное переохлаждение).

Ф и г . 3.13. Температура плавления как функция расстояния (концентра­ ционное переохлаждение).

плоская граница в данном направлении будет устойчивее сту­ пенчатой. При выращивании из расплава, в частности вытяги­ ванием кристалла, граница раздела расплав — кристалл часто искривляется, как на фиг. 3,14, а, следуя форме изотермы, соответствующей температуре плавления. Если адсорбция воз­ можна по одному из направлений (а), то в таком направлении образуется гладкая «фасетка» а — Ъ ' ) . Гладкий участок будет иметь такую протяженность, при которой выполняется условие ocos0 = aa , где сг — свободная поверхностная энергия чистой грани, aa — свободная поверхностная энергия грани с адсорби­ рованными примесями. Как видно из фиг. 3.14, б, площадь грани

Жидкость

Ф и г . 3.14. Граница раздела расплав — кристалл при образовании фасеток.

уменьшается по мере того, как поверхность раздела расплав — кристалл становится более выпуклой. Площадь грани стано­ вится меньше и при уменьшении угла между направлением ро­ ста и направлением (а). Образование фасеток затрудняется, когда изотерма имеет вогнутую форму, поскольку в этом слу­ чае возникающие плоские участки попадают в зону перегрева.

Механизм адсорбции на фасетках предполагает более ин­ тенсивный захват ими примесей в случае их роста. Чаще всего так и обстоит дело. Однако не всегда связь между содержа­ нием примесей и развитием фасеток прямая. Дикхоф [30] изучал фасетки {111} на кристаллах германия при их выращивании по

б Зак, 718

переохлаждения (необходимое возрастание &ЭФФ очевидно из рассмотрения типичной диаграммы состояния, подобной, напри­ мер, диаграммам на фиг. 2.3,а или б). Хотя такой механизм и возможен в действительности в отдельных случаях, более об­ щий характер имеет, видимо, адсорбционный механизм [30]. Об­ разование фасеток может быть связано и с концентрационным переохлаждением. В данном направлении явно необходимы дальнейшие исследования.

3.13.ОБРАЗОВАНИЕ ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРЫ [29J

Вусловиях концентрационного переохлаждения устойчивость присуща либо ячеистой, либо дендритной структуре. Если на гладкой границе расплав — кристалл при наличии зоны кон­ центрационного переохлаждения возникает выпуклый выступ (фиг. 3.15), то вершины выступов D станут проявлять тенден-' цию к продвижению в расплаве до точек D, где температура равна температуре плавления. Линия АВ отвечает действитель­ ной температуре раствора, а линия СВ — температуре плавления сообразно диаграмме состояния. Иными словами, фазовая гра­ ница будет стремиться «врастать» в раствор, чтобы снять кон­ центрационное переохлаждение (область DB — зона концентра­ ционного переохлаждения). Но поскольку поверхность пере­ стала быть плоской, диффузия вдоль боковых сторон способна подводить растворенное вещество, чтобы устранить концентра­ ционное переохлаждение в областях DF. Форма поверхности кри­ сталла на участках DF самопроизвольно изменится таким обра­ зом, чтобы диффузия вдоль боковых сторон выступов обеспечи­

зависит от температурного градиента, диффузионного поля (раз­ личия концентраций и коэффициента диффузии) и значений сво­ бодной поверхностной энергии в различных направлениях по поверхности раздела расплав — кристалл. По Тиллеру [29] по­ верхность с увеличением температурного градиента часто при­ обретает характерные морфологические признаки, изображен­ ные на фиг. 3.15,6". При очень высоких переохлаждениях у фронта кристаллизации ячеистый рост сменяется дендритным, или папоротникообразным, с длинными выступами в виде вет­ вей, пронизывающих расплав. Морозные узоры на оконных стек­ лах — прекрасный пример дендритов.

Образование ячеистой или дендритной структуры наблюда­ лось при выращивании кристаллов из расплавов1 ), когда при-

') Теория роста кристаллов из расплава рассматривается в работе Дже ­ ксона [40].