Линейная зависимость (3) тангенциальной скорости ступеней на периферии холмиков изменяется при изменении пересыщения, если на грани адсорбируются примесные частицы, способные тормозить ступени. Дело в том, что ступень прогибается между соседними примесными стопорами и останавливается, достигнув критического радиуса кривизны. Это возможно, если расстояние между стопорами равно или меньше 2rc . Поэтому может возникнуть мертвая зона пересыщений, когда грань не растет. С ростом  значение rc уменьшается и ступень прорывается через частокол стопоров. Когда примесные стопоры могут диффундировать по поверхности и распределены на ней хаотично, зависимость  имеет характерный вид, показанный на рис. 5. При малых величина  медленно возрастает с ростом пересыщения, затем при некотором пересыщении  скорость резко возрастает и, наконец, зависимость выходит на прямую, проходящую через начало координат. Наклон этой прямой равен кинетическому коэффициенту  , характерному для роста в беспримесном растворе. Если в раствор KDP добавить незначительное количество ионов алюминия, железа или хрома, величина увеличивается и вся кривая сдвигается вправо, но все равно она выходит на одну и ту же самую прямую.
 |
| Рис. 5. Зависимость скорости движения ступеней на грани призмы кристалла KDP от пересыщения раствора в присутствии примеси хрома. Содержание в растворе CrCl3*10H2O: 1 - номинально чистый раствор, 2 - 3 ppm, 3 - 5 ppm. |
Область пересыщений вблизи опасна для качества растущего кристалла, так как флуктуации концентрации примеси на поверхности приводят к тому, что разные участки ступени прорываются через частокол стопоров при несколько разных пересыщениях. Вместо эквидистантного эшелона ступеней элементарной высоты появляются ступени разной высоты - макроступени, то есть некоторые ступени догоняют соседние. В этом случае говорят, что поверхность теряет морфологическую устойчивость, при этом возможны захват кристаллом включений раствора и образование других дефектов кристаллической структуры.
Для качества кристалла важно, чтобы во всех точках грани пересыщение было одинаковым. Добиться этого не просто. На рис. 6 показано, как влияет скорость u обтекающего грань потока раствора на изменение концентрации вблизи поверхности растущего кристалла. Кювета с кристаллом помещена в одном из плеч интерферометра, и свет проходит через раствор. Там, где интерференционные полосы прямые, показатель преломления раствора, а значит, и его концентрация постоянны. Изгиб полос у поверхности свидетельствует об уменьшении концентрации вследствие поглощения вещества кристаллом. Отметим несколько характерных моментов, видных на приведенных фотографиях. Первое: с ростом скорости потока толщина слоя, в котором происходит изменение концентрации раствора (он называется диффузионным пограничным слоем или двориком кристаллизации), уменьшается и на последней фотографии его различить не удается (слой тоньше 10 мкм). Это значит, что с ростом u пересыщение на поверхности приближается к объемному и, следовательно, становится одинаковым во всех точках грани. Второе: при промежуточных значениях u на интерференционных полосах появляются два излома (фото 4), между которыми полосы остаются прямыми. В пространстве между этими изломами вблизи поверхности возникает замкнутый вихрь жидкости, причем у самой поверхности раствор движется в сторону, противоположную потоку. Внутри вихря концентрация постоянна. Вихри образуются из-за срыва ламинарного пограничного слоя (то есть слоя раствора у поверхности, в котором скорость потока изменяется от значения скорости в объеме раствора до почти нулевой у поверхности) вблизи переднего ребра (тем ближе к нему, чем больше скорость потока), при увеличении u частота срывов возрастает (фото 5). Третье: казалось бы, что у переднего по потоку ребра между гранями призмы и пирамиды концентрация должна быть максимальной. На самом деле это не так: изгиб интерференционных полос наибольший именно у переднего ребра. Так происходит потому, что грань пирамиды растет заметно быстрее грани призмы (сравни первую и последнюю фотографии) и на переднее ребро поступает заметно обедненный быстро растущей пирамидой раствор.
 |
| Рис. 6. Влияние скорости потока раствора u на концентрацию растворенного вещества вблизи растущей поверхности. u, см/с = 0,4 (1); 1,5 (2); 4 (3); 6 (4); 7 (5); 15 (6). |
Таким образом, если скорость потока раствора недостаточно велика, пересыщение в разных точках поверхности различно. Заметим, что увеличение пересыщения (то есть скорости роста) в этом смысле эквивалентно уменьшению скорости потока, так как поверхностная концентрация определяется балансом скоростей подвода вещества из раствора и поглощения его кристаллом. Увеличение u увеличивает подвод вещества, а рост увеличивает его поглощение. Концентрация на поверхности будет постоянной и равной объемной, если скорость поступления вещества больше, чем скорость его отвода в кристалл. В этом случае говорят, что рост идет в кинетическом режиме. Противоположный случай - диффузионный режим роста. При диффузионном режиме возникают два негативных явления, которые иллюстрирует рис. 7.
 |
Рис. 7. Образование ямки на наветренном склоне холма и потеря устойчивости на подветренном склоне.  (1); 0,018 (2); 0,021 (3); 0,023 (4); 0,026 (5); 0,027 (6). |
При малых оба показанных на рисунке холмика имеют правильную форму (фото 1), увеличение пересыщения приводит к тому, что скорость движения ступеней у верхнего и нижнего ребер становится больше, чем в середине грани, поскольку там раствор обеднен. Заметим, что при данной разнице пересыщений между ребром и серединой грани различие в скорости ступеней будет тем больше, чем больше значение производной  , то есть при , несколько превышающих (см. рис. 5). В результате у переднего по потоку ребра (наветренного) ступени движутся навстречу друг другу и, сливаясь, образуют за собой ямку - залог будущего захвата включения раствора. Одновременно на подветренном склоне холма, где ступени движутся в том же направлении, что и раствор, поверхность теряет устойчивость и образуются макроступени. Объясним последнее явление.
Допустим, что в результате какой-либо случайности на склонах холмика возник выступ, это, например, может быть следствием кратковременного увеличения пересыщения в точке выхода дислокационного источника. Тогда на наветренном склоне поток раствора подходит к верхней точке выступа сравнительно обедненным, так как перед этим он протекал над крутым участком склона, а чем больше p, тем больше скорость роста и тем больше потребляется вещества. Поэтому скорость роста верхней точки уменьшается и выступ постепенно исчезает. На подветренном склоне ситуация иная: к выступающей точке раствор попадает обогащенным, так как перед этим проходит над сравнительно пологим участком. Поэтому возмущение поверхности усиливается, и чем дальше от вершины холма, тем сильнее эшелон ступеней теряет регулярность.
Есть простой способ не дать этим явлениям катастрофически развиться. Он демонстрируется рис. 8 и заключается в реверсировании с определенной частотой направления потока раствора. Как видно из рисунка, изменение направления потока раствора на противоположное приводит к тому, что ямка и макроступени меняются местами. Но, конечно, наиболее радикальный путь борьбы с подобными неприятностями - выращивать кристаллы в кинетическом режиме роста.
 |
| Рис. 8. Влияние изменения направления потока раствора на вид поверхности при непостоянстве пересыщения на грани. |
Назад | Вперед
|
