Аппаратура. Метод Вернейля

Метод Вернейля

Гидротермальное выращивание

Выращивание из раствора под флюсом

Подготовила:

магистр 2 г/о Симонова А.В.

Преподаватель

Шаров М.К.

Воронеж 2014

Бестигельные методы

Этими методами можно выращивать из расплава монокристаллы веществ, для которых вследствие химической активности или очень высокой Т_пл нет подходящих тиглей. Конечно, вследствие отказа от тиглей становятся сложнее проблемы регулирования и возрастает неустойчивость процесса. В практике выращивания используют метод Вернейля с модификациями.

Метод Вернейля и его варианты

Аппаратура

В 1891 и 1892 гг. Вернейль депонировал в Парижской академии наук начатые в 1886 г. заметки о новом способе получения рубинов, однако опубликованы они был и лишь между 1902 и 1911 гг.

При выращивании из расплава методом Вернейля (рис. 1) материал в виде тонкоизмельченного порошка подается в пламя Н₂-О₂. Это пламя нагревает вершину растущего кристалла и создает на ней расплавленный слой, который вследствие большого аксиального Т-градиента мал по толщине.

Подаваемый материал плавится уже в пламени или в расплавленном слое, причем выкристаллизовывается количество, соответствующее поступающему материалу, и кристалл продолжает расти в вертикальном направлении. Благодаря прямому наблюдению кристалла можно управлять процессом роста. В промышленности, где метод Вернейля широко применяется, выращивание идет с Ʋ ~ 1 см/ч.

Конструкция горелки позволяет изменять термические условия и одновременно влиять на размеры кристаллов. Если применяют длинную штангу (кристаллодержатель, свечу), которая должна быть совершенно свободна от колебаний, то можно вырастить кристаллы длиной > 50 см. При использовании соответствующих формы и размеров печной камеры и горелки можно достичь кристаллов диаметром до 5 см. Дополнительным вращением кристалла нарушения симметрии пламени выравниваются. Чтобы воспрепятствовать растрескиванию кристаллического стержня во время роста, целесообразен одновременный последующий отжиг.

Однако способ имеет и некоторые недостатки. При высоких Т обычного пламени Н₂-О₂ между вершиной кристалла и кристаллодержателем возникает очень большой Т- градиент, который создает в растущем кристалле высокие напряжения. При более низких Т пламя неспокойно и его

трудно стабилизировать, так как небольшие изменения состава газа вызывают относительно большие изменения Т.

Так как в классическом способе Вернейля в качестве горючих газов применяют Н₂ и О₂ при избытке одного из компонентов возникает соответственно восстановительная или окислительная атмосфера; это сильно ограничивает выбор веществ. Между тем был и разработаны методы, которые позволяют работать независимо от горючих газов. При одновремен ной сокристаллизации легирующего материала (например, рубин: А1₂Оз +

Сr₂О_з) происходит испарение легирующего вещества, сопровождаемое неравномерным его вхождением в основной кристалл.

Аппаратура для изготовления драгоценных и опорных камней отличается от использованной Вернейлем незначительно. Только ударный механизм заменяется колесом с кулачками, электромагнитным молотком.

Округлые формы роста, которые наблюдаются на всех монокристаллах

Вернейля, связаны с направлен ием Т-перепада на границе твердой и жидкой фаз, теплопроводностью кристалла и вязкостью расплава. Тонкий, крайне вязкий расплавленный слой обеспечивает макроскопический рост граней. Рост происходит в направлении максимального Т-перепада перпендикулярно к основанию кристалла. Таким образом возникает форма буль.

Выращивание кристаллов методом Вернейля с кислородно-водородным пламе­нем теоретически возможно для веществ с температурой плавления не выше 2810°С. Однако при использовании обыч­ной газовой горелки из-за потерь тепла в результате радиации кристалла и шихты реальной оказалась возможность выращи­вать кристаллы с температурой плавле­ния не выше 2250°С. Также были найдены новые способы нагрева, а также автоматизации процесса кристалли­зации. В частности, были разработаны радиационный (высокочастотный) и плаз­менный способы нагрева, разогрев с по­мощью световых источников большой мощ­ности, позволившие существенно повысить (до 2600—2800°С) температуры кристалли­зации и, самое главное, создавать в каме­рах кристаллизации необходимую окисли­тельно-восстановительную обстановку или вакуум. Благодаря этому методом Вернейля к настоящему времени удалось вырас­тить более ста различных кристаллов. Од­нако наибольшее промышленное значение он имеет, как правило, при выращивании рубина, сапфира и других окрашенных разновидностей корунда, а также магниево-алюминиёвой шпинели; в значительно меньшем масштабе этим методом произво­дятся рутил, магнетит и шеелит.

Возрастающее значение лазерной техники и ее высокие требования к качеству кристаллов рубинов привели к дальнейшему развитию способа Вернейля. В качестве нагревательных газов был и испробованы смеси О₂ и городского газа, ацетилена, СО и др. Хотя при этом достигаются высокие Т

(табл. 1), результаты опытов всегда хуже, чем при применении смеси H₂- O₂. Другие высокотемпературные пламена, как, например, пламя фтора, до сих пор не используются.

Таблица №1 Выращивание методом Вернейля

Дата добавления: 2015-08-17