Для того чтобы увеличить скорость роста кристалла, необходимо увеличить пересыщение раствора. Однако при больших  в растворе может начаться массовая кристаллизация: повсеместное образование трехмерных зародышей, каждый из которых будет расти. В этом случае говорят, что раствор "запаразичивается", и тогда процесс выращивания монокристалла приходится прекращать.
Вероятность образования таких зародышей увеличивается с ростом объема раствора. Действительно, пусть при данном пересыщении J есть скорость появления зародышей (штук/см3 с), V - объем раствора, t - время. Разобьем время t на много (N) малых интервалов dt. Тогда вероятность того, что за время dt возникнет зародыш, есть  , а вероятность того, что зародыш не возникнет, есть 1 - JV dt. Вероятность того, что за время t не возникнет ни одного зародыша, будет равна
 | (8) |
Из (8) следует, что если, например, 1 литр раствора при данном может стоять 1 год и лишь через это время в нем появится 1 зародыш, то в объеме 365 литров зародыш появится через сутки. Или иначе: пусть проведено 365 выращиваний в кристаллизаторе объемом 1 литр и лишь в одном из них наблюдалась массовая кристаллизация, тогда при выращивании кристаллов в кристаллизаторах объемом 365 литров массовая кристаллизация будет проходить в каждом опыте. Заметим, что для получения больших кристаллов приходится использовать кристаллизаторы объемом в 1000 литров.
Все, однако, не так страшно. Для предотвращения запаразичивания раствора используется несколько приемов: фильтрация раствора через фильтры с размером пор меньше 0,1 мкм, перегрев раствора для растворения посторонних частиц, использование полированных деталей, соприкасающихся с раствором, отсутствие пор в этих деталях, затрудняющих их очистку. Все эти приемы направлены на очистку раствора и кристаллизатора от посторонних частиц, на которых облегчено образование зародышей.
Есть и еще одно явление, приводящее к запаразичиванию раствора. Оно называется вторичной кристаллизацией. Вот одно из ее проявлений. Когда в кристалле замуровывается включение раствора (например, в упомянутой выше ямке), то слои роста, двигаясь в разных направлениях, сталкиваются и могут отщеплять, обламывать кусочки вещества, которые, попадая в раствор, служат зародышами, вызывающими массовую кристаллизацию. Поэтому получение кристаллов без включений раствора - одно из условий высокой устойчивости пересыщенного раствора к запаразичиванию.
Конечно, нельзя сказать, что процесс кристаллизации совершенно ясен; ряд явлений, о которых даже не упомянуто выше, еще потребует длительного изучения. Однако основные черты стали достаточно понятными благодаря работам последних лет, инициированным как потребностями практики, так и извечным желанием ученых понять физическую сущность различных процессов. В результате скоростное выращивание крупных кристаллов высокого оптического совершенства сегодня стало реальностью. Разработаны методы, позволяющие получать растворы, выдерживающие без массовой кристаллизации огромные пересыщения, и вести рост в режиме, близком к кинетическому. Именно в этом суть способа скоростного выращивания. Его основные черты: использование сырья, содержащего менее 10-4% каждой из примесей; фильтрация раствора через фильтры с размером пор менее 0,1 мкм; тщательная стерилизация кристаллизационной аппаратуры, изготовленной из хорошо отполированного инертного материала; регенерация затравочных кристаллов по специальной программе; непрерывный контроль и регулирование пересыщения раствора, обеспечивающее постоянную скорость роста; реверсивное перемешивание раствора.
Остановимся теперь на вопросе, затронутом во Введении: насколько увеличение скорости роста ухудшает качество кристалла. Действительно, увеличение  должно приводить к увеличению в кристаллической решетке числа так называемых точечных дефектов - образованию вакансий и атомов, находящихся не на своих местах. Напротив, захват коллоидных включений и примесей с ростом должен уменьшаться, так как уменьшается время экспозиции террас между ступенями до их закрытия следующим слоем, то есть время, необходимое для адсорбции этих частиц поверхностью. Наконец, захват кристаллом включений раствора вообще определяется не скоростью роста, а устойчивостью эшелона ступеней, которая, как мы видели, связана с наличием примесей и постоянством пересыщения на поверхности. Эти соображения подтверждаются опытом: рассеяние и поглощение света в быстро выросших кристаллах и их оптическая прочность в мощном лазерном излучении не хуже, а иногда и лучше, чем у кристаллов, выращенных традиционным способом.
Inertial Confinement Fusion, Quarterly Report. Lawrence Livermore National Laboratory. 1994. V. 5. N 1. P. 1.
Беспалов В.И., Кацман В.И. Выращивание крупных водорастворимых кристаллов для лазерной оптики // Вестн. АН СССР. 1984. N 9. С. 11 - 14.
Рашкович Л.Н. Скоростное выращивание из раствора крупных кристаллов для нелинейной оптики // Вестн. АН СССР. 1984. N 9. С. 15 - 19.
Аншелес О.М., Татарский В.Б., Штернберг А.А. Скоростное выращивание кристаллов сегнетовой соли. Ленинград, 1945.
Чернов А.А. Процессы кристаллизации. В кн.: Современная кристаллография. М.: Наука, 1980. Т. 3. С. 5 - 232.
Rashkovich L.N. KDP - Family Single Crystals. Bristol, Philadelphia and New Jork: Adam Hilger, 1991.
Назад
|
