Реферат. Химия и материалловедение. Бардиков В.Д. группа ИНз-29.. Реферат по дисциплине Химия и материаловедение

• Название: Реферат по дисциплине Химия и материаловедение
• Дата: 18.06.2021
• Размер: 128.6 Kb.
• Имя файла: Реферат. Химия и материалловедение. Бардиков В.Д. группа ИНз-29..docx
• Тип: Реферат; #218753
• страница: 2 из 4

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ

В исследовательских лабораториях и промышленности выращивают кристаллы из паров, расплавов и растворов, из твердой фазы, синтезируют путем химических реакций, осуществляют электролитическую кристаллизацию, кристаллизацию из гелей и др. В настоящее время для получения совершенных кристаллов большого диаметра чаще всего применяют следующие методы выращивания:

• 
  из газовой (паровой) фазы при градиенте давления,
  
• 
  из расплавов при температурном градиенте,
  
• 
  из растворов при градиенте концентрации на границе раздела кристалл – раствор [3].
  

1. Выращивание монокристаллов из газовой фазы

Существующие способы выращивания монокристаллов из газовой фазы можно разделить на две группы: кристаллизация без участия химической реакции и кристаллизация с участием химической реакции.

Кристаллизация без участия химической реакции

В этом случае вещество переносится, к растущему кристаллу в результате возгонки. Поэтому процесс можно успешно вести лишь в том случае, если вещество ниже температуры плавления обладает заметной упругостью паров, которая к тому же достаточно сильно зависит от температуры. Таким образом, можно выращивать монокристаллы многих сульфидов, селенидов, теллуридов, галогенидов, а также органических веществ и даже таких тугоплавких соединений, как карбиды кремния и бора.

Для получения пленок часто применяется и метод катодного напыления. Благодаря прямолинейности молекулярного пучка он позволяет использовать так называемые «маски» для получения единой пленки заданной, иногда довольно сложной конфигурации.

Методом сублимации могут быть выращены и нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений, как оксида магния и карбида кремния.

Метод сублимации позволяет получать кристаллы, не загрязненные посторонними примесями. Однако, широкое применение этого метода для получения полупроводниковых монокристаллов и пленок сталкивается с определенными трудностями, связанными с необходимостью создания глубокого вакуума, защищающего от вредного воздействия следов кислорода.

Кристаллизация с участием химической реакции

Эта группа методов применяется для выращивания кристаллов веществ, не обладавших заметной упругостью пара ниже температуры плавления или нарушающих свою стехиометрию в процессе испарения. В нее входят методы, основанные на химических транспортных реакциях в замкнутой или открытой (проточной) системе и кристаллизация с применением так называемых парофазных реакций.

Метод химических транспортных реакций

Метод основан на использовании обратимых гетерогенных реакций, в результате которых вещество переносится из зоны синтеза в зону роста. В зоне синтеза газообразное вещество В реагирует с подлежащим переносу твердым веще- ством А, образуя газообразный продукт АВ, который вследствие диффузии, конвекции или с газовым потоком переносится в зону кристаллизации, где в результате изменения температуры равновесие реакции смещается и на затравке кристаллизуется выделяющееся из газовой фазы вещество А:

^А(t)^+В(r)^↔AB(r)^.

При эндотермической реакции вещество переносится из зоны с более высокой температурой Т₂в зону с более низкой температурой Т₁:


𝑇
А_(t)+В_(r)=AB_(r),∆_𝑟𝐻⁰,T₂→T₁.

Стрелка указывает направление переноса вещества. При экзотермической реакции перенос вещества идет в зону с более высокой температурой:


𝑇
А_(t)+В_(r)=AB_(r),−∆_𝑟𝐻⁰,T₁→T₂.

Таким образом, основа метода - обратимая гетерогенная реакция.

1. 
   Кристаллизацияизгазовойфазывзамкнутомреакционномсосуде (запаянной ампуле) принципиально схожа с выращиванием кристаллов из раствора (в том и числе и гидротермальным методом) в условиях температурного перепада, и отличается только сравнительно малой плотностью растворителя.
   

В системе (рис.1) создаются две зоны: зона синтеза с температурой T₁(или

Т₂) и зона кристаллизации с температурой T₂(или Т₁)



Рис. 1. Схема процесса в замкнутой ампуле

Перенос вещества в указанной на рис. 1 ампуле происходит в результате диффузии. В тех случаях, когда наряду с диффузией имеет место и конвекция, количество перенесенного вещества увеличивается. При этом используются ампулы достаточно большого (> 20 мм) диаметра, наклонно установленные, причем нижний конец ампулы - более горячий (рис. 2).



Рис. 2. Движение газа в ампуле вследствие конвекции (Т₂>Т₁)

2. 
   Реакциипереносавпроточнойсистеме.
   

В проточной системе происходит одностороннее движение газового потока, поступающего в атмосферу после отложения вещества в зоне кристаллизации (рис. 3).

Рис. 3. Схема установки для транспорта вещества методом потока Этот метод целесообразно использовать в тех случаях, когда реакция про текает быстро и приводит к достаточно полному выделению транспортируемого вещества. Успешно применяется метод потока и при наличии перепада давления. Если газообразные продукты реакции, протекающей с уменьшением объема, продувать через сопло, то на выходе из сопла равновесие сместится; аналогичное влияние оказывает разбавление продуктов реакции инертным газом (рис. 4).

Рис. 4. Схема установки для транспорта вещества методом потока с подмешиванием инертного газа

Хотя зачастую одной и той же реакцией можно пользоваться при кристаллизации в замкнутой и открытой системе, следует заметить, что замкнутая система дает определенные преимущества, когда экспериментатор располагает небольшим количеством вещества, а также при использовании медленно протекающих реакций. С другой стороны, транспорт вещества в открытой системе осуществляется быстрее и сам процесс кристаллизации легче поддается контролю и управлению.

Кристаллизация с использованием парофазных реакций

Материалом для кристаллизации служат пары летучего соединения, переносимые транспортирующим агентом (обычно – водородом). Проходя через нагретую реакционную камеру, захваченные пары, благодаря взаимодействию с водородом или термическому разложению, выделяют вещество, кристаллизующееся на стенках реакционной камеры и на затравке. Рассмотрим некоторые примеры получения монокристаллических пленок в результате разложения хлоридов в присутствии водорода:

3. 
   Получение монокристаллических пленок бора. Над подложкой, нагретой до 1000-1020 °C, пропускается смесь паров BCl₃ и H₂ со скоростью 1 л/мин:
   

2BCl₃ + 3H₂ → B + 6HCl.

В течение 15 мин. образуется пленка бора толщиной 10 мкм.

4. 
   Получение пленок германия. Над подложкой, нагретой до 850 °С, пропускают смесь GeCl₄ и водорода:
   

GeCl₄ + 2H₂ → Ge + 4HCl.

В течение 10-20 мин. нарастает слой германия толщиной 5-10 мкм. Расход водорода 60 л/мин.

Аналогичным образом по реакции:

SiCl₄ + 2H₂ → Si + 4HCl.

можно получать пленки кремния. Парофазные реакции можно использовать и при сравнительно невысокой летучести одного из компонентов - если подогревать его и использовать газ-носитель. Так, пленки Al₂O₃ были выращены в результате реакции

2AlCl_3(г) + 3CO₂ + 3H₂ → Al₂O_3(t) + 3CO + 6HCl.

Причем подогретый AlCl₃ переносился аргоном.

Следует заметить, однако, что проведение парофазных реакций требует тщательной очистки применяемых газов, в противном случае образующиеся кристаллы будут засорены примесями, которые могут неопределенным образом влиять на свойства кристаллов.

Достоинства и недостатки методов выращивания монокристаллов из газовой фазы

Рост кристаллов веществ происходит при температурах значительно более низких, чем в случае кристаллизации из расплава. Это позволяет снизить равновесную концентрацию вакансий и получать кристаллы с весьма малой плотностью дислокаций.

Используя специальную аппаратуру можно успешно регулировать стехиометрический состав кристаллизуемого вещества.

Наконец, из газовой фазы можно выращивать кристаллы тугоплавких веществ и веществ, разлагающихся при плавлении.

Вместе с тем указанные методы имеют и известные ограничения. Прежде всего следует отметить малую скорость роста, не позволяющую вырастить достаточно крупные кристаллы. Однако этот недостаток обращается в достоинство, позволяя очень точно контролировать толщину тонких пленок, создавать p–n–переходы (область соприкосновения двух полупроводников с разными типа- ми проводимости), меняя состав газа, а также успешно выращивать нитевидные монокристаллы, обладающие огромной механической прочностью [4].