Образование газовых включений при синтезе кристаллов парателлурита из расплава

Седова, Людмила Владимировна

Образование газовых включений при синтезе кристаллов парателлурита из расплава тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Седова, Людмила Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Тверь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Образование газовых включений при синтезе кристаллов парателлурита из расплава»

Автореферат диссертации на тему "Образование газовых включений при синтезе кристаллов парателлурита из расплава"

На правах рукописи

СЕДОВА Людмила Владимировна

ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ СИНТЕЗЕ КРИСТАЛЛОВ ПАРАТЕЛЛУРИТА ИЗ РАСПЛАВА

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тверь-2005

Работа выполнена на кафедре прикладной физики Тверского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Колесников А.И.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Смоляков В.М.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Молчанов В .Я.

Ведущая организация: Тверской государственный

технический университет

Защита состоится йССССХ-Ьр^_ 2005 г. в часов на

заседании диссертационного Совета 12.263.04 в Тверском государственном университете по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый пер., 35, ауд. 226.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТвГУ.

Автореферат разослан Ж 2005 г.

Ученый секретарь П

диссертационного совета — Ляхова М.Б.

эюь-к г гт 7£

Ло*>0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Начиная с самых ранних работ, связанных с выращиванием парателлурита (а-ТеОг) способом Чохральского [1,2], и до настоящего времени [3,4] сообщается о наличии газовых пузырьков в этих кристаллах. Таким образом, проблема устранения причин, приводящих к захвату пузырьков кристаллами парателлурита, до сих пор окончательно не была решена. Ее актуальность с практической стороны очевидна -парателлурит используется в качестве материала светозвукопроводов современных акустооптических устройств: модуляторов, дефлекторов и фильтров излучения [5,6]. Поэтому даже одиночный оптический дефект в виде пузырька может сделать непригодным значительный объем кристалла.

С научной точки зрения актуальность темы диссертации связана с необходимостью получения новых экспериментальных данных, касающихся различных аспектов трех физических явлений, протекающих одновременно при синтезе парателлурита из расплава. Это динамика зарождения и развития газовых пузырьков вблизи фронта кристаллизации, теория которой разработана недостаточно. Это и задача о тепломассопереносе при выращивании кристаллов из расплавов с высокими значениями критерия Прандтля, т.е. с высокой вязкостью и малой температуропроводностью. В настоящее время ее можно считать более или менее решенной только для расплавов полупроводниковых материалов, значения критерия Прандтля у которых на 1-2 порядка ниже, чем у расплава диоксида теллура. И, наконец, это кинетика газовых пузырьков в уже образовавшихся кристаллах в поле температурного градиента при отжиге и охлаждении Последняя задача успешно решена только для некоторых частных случаев в рамках теории диффузионной ползучести.

Несмотря на сложность и взаимосвязанность недостаточно изученных процессов, приводящих к захвату пузырьков растущими кристаллами, нахождение условий, препятствующих такому захвату, для парателлурита оказалось возможным. Таким образом, тема диссертации является актуальной м при получении новых кристаллов других веществ, выращиваемых из расплава в газовой атмосфере.

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании причин захвата газовых включений кристаллами парателлурита при их синтезе и в определении ростовых параметров, препятствующих такому захвату.

В связи с данной целью были поставлены следующие основные задачи: • установление закономерностей пространственного распределения захватываемых кристаллами газовых включений и их распределения по размерам и геометрической форме;

' РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА I

• определение наличия газов и величины их давления в полостях путем непосредственного вскрытия под слоем жидкости;

• теоретические расчеты параметров диффузионной кинетики пузырьков вблизи фронта кристаллизации;

• нахождение оптимальных режимов конвекции расплава диоксида теллура, при которых возможен отрыв пузырьков от растущего кристалла;

• определение механизмов и характеристик движения газовых включений в кристаллах парателлурита в поле температурного градиента при отжиге и охлаждении.

Объекты и методы исследований. Во-первых, объектами исследований являлись монокристаллы парателлурита, выращенные из расплава способом Чохральского, и вырезанные из них отполированные оптические элементы. Включения и окружающий их материал изучались методами оптической микроскопии с цифровой записью и компьютерным анализом изображений, методами рентгеноструктурною анализа и с помощью селективного химического травления. Рассеяние света на включениях исследовано методом фотометрического шара, а также с помощью инфракрасных спектрофотометров и лазерного излучения видимого диапазона.

Некоторые наиболее крупные включения были механически вскрыты под слоем жидкости. Процессы всплытия газовых пузырьков записаны цифровой видеокамерой.

Часть элементов подвергались длительному высокотемпературному отжигу с целью выяснения динамики огранения и движения газовых включений внутри кристаллов.

Во-вторых, объектом исследования являлся расплав диоксида теллура, у которого были измерены электропроводность и ее температурная зависимость. Измерения проведены двухэлектродным методом с использованием КЬС-метров.

В-третьих, объектом исследования являлся характер конвекции в припо.верхностных слоях расплава с вращающимися и вытягиваемыми кристаллами парателлурита.

Для исследований применялась запись изображений поверхности расплава цифровой видеокамерой.

Рассеяние света кристаллами с пузырьками изучалось в лаборатории ВНЦ «ГОИ им С И. Вавилова» (г. Санкт-Петербург); рентгеноструктурные исследования проведены на кафедре магнетизма ТвГУ, наблюдения с использованием лазеров - в НТЦ Акустооптики МИСИС (г. Москва). Все остальные эксперименты выполнены на кафедре прикладной физики ТвГУ.

Научная повита. В результате исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Впервые исследована секториальность в распространении газовых включений в монокристаллах парателлурита, и дано объяснение

неравномерному захвату пузырьков пирамидами роста граней с различными индексами. Получена и экспериментально подтверждена приближенная формула, связывающая расстояние от оси вращения кристалла до точки захвата пузырька с величинами поверхностных энергий кристалл-расплав и кристалл-газ, зависящими от кристаллографической ориентации.

2. Исследованы механические напряжения и дислокационная структура парателлурита вблизи газовых включений.

3. Впервые экспериментально доказано наличие газа во включениях и измерено его давление.

4. Впервые измерена электропроводность кристаллов парателлурита и расплава диоксида теллура в температурном диапазоне 560 К-1160 К. Сделаны оценки для величины индукции магнитного поля, способного существенно подавить конвекцию расплава диоксида теллура.

5. Впервые исследован вклад рассеяния света пузырьками в общую экстинкцию света кристаллами парателлурита.

6. Определены механизмы и кинетические характеристики движения пузырьков в кристаллах парателлурита в поле температурного градиента.

7. Впервые в расплаве диоксида теллура обнаружены и исследованы возникающие при выращивании парателлурита вихри Тейлора, образующие структуру с двойной осью симметрии, совпадающей с осью вращения кристалла. Установлено, что наличие вихрей расплава с такой гидродинамической структурой потоков обеспечивает отрыв пузырьков от всей поверхности межфазной границы и рост кристаллов, полностью свободных от газовых включений.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Пары расплава диоксида теллура и какие-либо химические реакции не играют существенной роли в процессах образования и захвата пузырьков. Это подтверждается тем, что пузырьки внутри кристаллов содержат газ под давлением, в точности соответствующим давлению воздуха, первоначально находившегося при температуре плавления парателлурита под атмосферным давлением и охлажденного в замкнутом объеме до комнатной температуры.

• Пространственное распределение газовых включений в кристаллах парателлурита, секториальность этого распределения по пирамидам роста граней с различными индексами, форма включений и их распределение по размерам удовлетворительно описываются с помощью использованных в работе модельных представлений о кинетике диффузионного роста пузырьков и о механизмах их захвата.

• Найденные значения электропроводности расплава диоксида теллура 5-102-1-103 См-м"1 не позволяют надеяться на эффективное подавление конвекции в тиглях с помощью магнитного поля. Вследствие этого

У:;

управляющими параметрами, практически влияющими на процессы захвата пузырьков парателлуритом, являются только тепловые поля, скорости вытягивания и скорости вращения кристаллов.

• Оптимальным режимом конвекции расплава, приводящим к отрыву пузырьков от фронта кристаллизации, является образующаяся в некотором интервале чисел Рейнольдса гидродинамическая структура с вихрями Тейлора, обладающая двойной осью симметрии, совпадающей с осью вращения кристалла. Такая структура потоков расплава может устойчиво существовать в течение длительного времени, что позволяет получать массивные объемы кристаллов парателлурита, полностью свободные от пузырьков.

• Явления огранения, распада и движения газовых включений, происходящее в парателлурите при высоких температурах в поле температурного градиента, объясняются действием таких непороговых механизмов, как вязкое течение матрицы, а также испарение вещества матрицы с лобовой (более горячей) и конденсация его на тыльной (более холодной) поверхностях поры.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволили существенно улучшить технологию синтеза крупногабаритных (диаметром до 80 мм и высотой до 80 мм) монокристаллов парателлурита, применяемых в качестве материала светозвукопроводов акустооптических устройств и в качестве оптического материала поляризационных и двупреломляющих призм.

Из синтезированных кристаллов, не содержащих газовых включений и обладающих высокой оптической однородностью и малой экстинкцией света, изготовлены и успешно функционируют акустооптические дефлекторы, модуляторы и фильтры излучения. В их числе - уникальные по разрешающей способности предварительные фильтры спектрометров, установленные на космических аппаратах «Марс-Экспресс» и «Венера-Экспресс» в рамках проекта Еврокосмоса, а также электронно-перестраиваемый спектро-анализатор, установленный и испытанный в Крымской лаборатории ГАИШ (Государственный астрономический институт им. Штернберга; МГУ им. М.В Ломоносова) и предназначенный для исследования излучений АЯГ (активных ядер галактик).

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с научной программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники »(код 1.3.3.5).

Апробация результатов. Основные материалы диссертации были представлены на X и XI Национальных конференциях по росту кристаллов (НКРК 2002. НКРК 2004; Москва); международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического

приборостроения» (г. Тверь, 2002 г.); III Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2005 г.)

Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации автором опубликовано восемь печатных работ, в том числе три - в центральных журналах. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, а также совместно с сотрудниками кафедры прикладной физики Тверского государственного университета.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 55 рисунков. Библиография включает 113 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении подтверждается актуальность проблемы устранения газовых включений в кристаллах парателлурита. Показано, что для многих современных акустооптических устройств принципиально требуются достаточно крупные светозвукопроводы из парателлурита - до 60 мм х 40 мм х 40 мм вдоль кристаллографических осей [001], [ПО] и [110]. Для дефлекторов необходима большая входная линейная апертура - ей прямо пропорционально число разрешаемых в пространстве световых позиций. Спектральное разрешение акустооптических фильтров прямо пропорционально длине взаимодействия света со звуком, т.е., фактически, линейному размеру кристалла вдоль светового луча. Однако до нашего времени задача устойчивого, воспроизводимого синтеза кристаллов парателлурита, из которых возможно изготовление крупных элементов высокого оптического качества, не может считаться решенной. В кристаллах диаметром свыше 60-65 мм почти всегда наблюдаются те или иные структурные и оптические аномалии. Газовые включения являются одними из самых грубых, недопустимых дефектов, но до сих пор связанные с ними вопросы: природа возникновения, динамика захвата и условия, препятствующие захвату, состояние уже в твердой фазе, - изучены недостаточно. В связи с этим формулируется цель работы и решаемые в ней задачи.

В первой главе, являющейся литературным обзором, проанализированы теоретические и экспериментальные работы, связанные с зарождением газовых пузырьков в расплавах, с процессами диффузионного роста пузырьков и с механизмами захвата газовых включений растущими кристаллами. Большинство из указанных вопросов до настоящего времени слабо разработаны, что связано с объективными трудностями экспериментального характера.

Тем не менее, в рамках устоявшихся представлений, можно более или менее правильно в общих чертах описать причины образования газовых включений в парателлурите. При температуре плавления Тпл~1006 К и при более высоких температурах - вплоть до точки кипения Тк|,„=1530 К -давления насыщенных паров диоксида теллура сравнительно невысоки и составляют от 0,1 до ЮОмм.рт. ст Следствием этого является необходимость проведения ростовых процессов в газовой атмосфере при давлении, близком к атмосферному.

Газы, входящие в состав воздушной атмосферы, частично растворяются при контакте со свободной поверхностью расплава и путем конвекции и диффузии переносятся во весь объем тигля. Равновесные коэффициенты распределения газовых примесей в кристалле и расплаве диоксида теллура меньше единицы. Поэтому при кристаллизации избыточная концентрация газов вблизи твердой фазы приводит к зарождению и росту газовых пузырьков, которые при определенных условиях и захватываются растущим кристаллом Включения наблюдаются как в небольших, гак и в самых крупных образцах парателлурита, один из которых (с максимальным диаметром 73 мм) представлен на рис. 1.

Рис. 1. Срез монокристалла парателлурита с периодическими зонами включения пузырьков в виде гирляндоподобных ассоциатов

Наряду со скоплениями мелких (3-30 мкм в диаметре) пузырьков в виде туманностей, - как правило, в центральных приосевых объемах кристаллов, -иногда обнаруживаются и крупные одиночные пузыри (диаметром до 2,5 мм), расположенные ближе к боковой поверхности кристалла.

Помимо пузырьков с правильной сферической формой в парателлурите наблюдаются и длинные неизомерные газовые включения, искривленные вследствие вращения кристаллов в расплаве (рис. 2).

Рис. 2. Горизонтальный срез кристалла'парателлурита с одиночными мелкими пузырьками и длинными неизомерными газовыми включениями

Сведения в научной литературе о пузырьках в парателлурите крайне скудны и противоречивы. Даже самые современные работы содержат лишь эмпирические факты при полном отсутствии теоретического подхода к проблеме. Обсуждавшаяся ранее гипотеза Миязавы [2], суть которой сводилась главным образом к роли растворенной из тигля платины в образовании и захвате пузырьков, не подтверждается экспериментально -кристаллы, выращенные из кварцевых тиглей, содержат пузырьки примерно в том же количестве и с таким же распределением по размерам. Попытки выращивания парателлурита в атмосфере благородных газов не привели к успеху - в кристаллах также наблюдались пузырьки. Применение высокоточных систем автоматического регулирования диаметра кристалла, основанных на весовом контроле, также не гарантирует избавления от пузырьков. Что касается роли анизотропии поверхностных энергий кристалл-газ и кристалл-расплав в формировании газовых включений в парателлурите, то она даже не упоминалась. Результатами литературного обзора являются обоснование необходимости новых направлений исследований, а также выбор этих направлений. Приведены также данные о физических и химических свойствах расплава диоксида теллура и кристаллов парателлурита, необходимые для расчетов, выполненных в следующих главах.

Вторая глава содержит полученные экспериментально в работе данные о пузырьках в парателлурите и о свойствах кристаллов с пузырьками.

С целью снятия целого ряда вопросов впервые было определено давление газа в пузырьках. Для этого были подготовлены вырезанные элементы, заведомо содержащие крупные пузырьки. Диаметры пузырей предварительно измерялись с помощью микроскопа. Далее одна из граней элемента дошлифовывалась таким образом, чтобы расстояние от пузыря до поверхности элемента не превышало 0,5-1 мм. Это позволяло произвести специальным инструментом вскрытие пузыря путем ударного разрушения тонкого свода кристалла над ним. Вскрытие проводилось под слоем жидкости. Процесс всплытия фиксировался цифровой видеокамерой (рис. 3).

Рис. 3. Последовательные стадии всплытия газового пузырька из разрушенной поры в кристалле парателлурита (стрелки указывают на всплывающий пузырек)

Радиус пузырька находится путем компьютерного анализа изображений, при котором сравнивались размеры поры до вскрытия с размерами всплывающего пузырька По найденному радиусу г рассчитывалось давление газа в пузырьке согласно формуле, учитывающей лапласово давление.

Расчетами показано, что давление во всех вскрытых порах составляло (0,33±0,01) атм. Поскольку в момент захвата кристаллом газы находились при температуре Т,„=1006 К, а в момент всплытия из охлажденного кристалла -при комнатной температуре Т=300 К, можно утверждать, что, поскольку должно выполняться соотношение Тш(Т= Р„,/Р, газ в момент захвата находился под атмосферным давлением.

Этот экспериментальный результат ставит под сомнение сразу две гипотезы, высказывавшиеся ранее рядом авторов Они состояли в том, что пузырьки либо образованы парами диоксида теллура, либо являются продуктами частичного разложения диоксида теллура на моноокись теллура и кислород.

Для оптических исследований газовых включений, находящихся внутри кристаллов, были изготовлены элементы. Изображения, полученные с

помощью метал тографических микроскопов, записывались цифровыми камерами и подвергались компьютерной обработке в соответствии с правилами стерсоло1ии Так были получены гистограммы распределения пузырьков по их радиусам (рис. 4), и сделаны выводы о секториальности распределения пузырьков по пирамидам роста различных граней (рис 5).

1 3 5 7 9 111315171921 23 25272931 33 35 37 39 41 4345

Рис. 4. Гистограмма распределения пузырьков в парателлурите по размерам

Рис. 5. Проявление анизотропии поверхностных энергий в секториальном распределении газовых включений в кристаллах парателлурита

Среди наиболее важных результатов, полученных в ходе оптических исследований и позволяющих реконструировать картину захвата газовых

включений, - полное отсутствие пузырьков в объемах, прилегающих к боковой цилиндрической поверхности кристаллов, наличие самых крупных пузырей на расстояниях порядка 2Я/Зот оси кристалла, а также существование узкой кольцевой зоны вокруг оси вращения, в которой концентрация включений также мала.

Далее во второй главе представлены данные об ослаблении и рассеянии света кристаллами парателлурита, содержащими пузырьки. Измерения проведены тремя методами: с помощью спектрофотометров, с помощью фотометрического шара, а также с помощью исследования картин рассеянного лазерного света на удаленных экранах. Цель опытов состояла, с одной стороны, в определении оптических потерь в кристаллах с мелкими, визуально неразличимыми пузырьками, а с другой - в вычислении средних расстояний между пузырьками на основании дифракционных картин рассеяния На рис. 6 - рассеяние лазерного неполяризованного света (Х=0,63 мкм) монокристаллом с пузырьками, наблюдаемое на удаленном экране. Здесь, как и на рис. 7, на котором приведены зависимости средней интенсивное!и свега, рассеянного кристаллом, от расстояния до центра луча, хорошо заметны максимумы и минимумы света, предсказываемое теорией Ми при малоугловом рассеянии.

Рис. 6. Рассеяние монокристаллом

парателлурита с пузырьками лазерного неполяризованного света (Х=0,63 мкм), наблюдаемое на удаленном экране

1, отн ед

15 20 2 5 30 35 40

Рис. 7. Зависимости средней интенсивности света, рассеянного монокристаллом парателлурита с пузырьками, от расстояния до центра луча. 1 - поляризованный свет, А.зеп= 0,53 мкм; 2 - неполяризо-ванный свет, Хкр=0,63 мкм

Я см

Как следует из теории рассеяния, при оценке средних расстояний между рассеивающими неоднородности можно с достаточной точностью

пользоваться формулами для дифракции Брэгга на объемной периодической структуре. Таким образом, среднее расстояние между неоднородностями а может быть найдено из соотношения

- птЛ ,,ч <з =-, (1;

251П[агс^(г I)]

где п - показатель преломления кристалла, т -порядок максимума, -расстояние от кристалла до экрана, г - расстояние от оси пучка до дифракционного максимума. Расчеты по формуле (1) дают для величины а, в зависимости от концентраций пузырьков, значения от 40 мкм до 160 мкм, что совпадает с расстояниями между пузырьками, определенными с помощью микроскопии.

С помощью селективного химического травления, методов рентгеноструктурного анализа, а также с использованием широких пучков лазерного света проведены сравнительные исследования дислокационной структуры, отклонений межплоскостных расстояний и наличия оптических аномалий - свилей вблизи и вдали от газовых включений Оказалось, что распределение дислокаций вблизи включений ничем не отличается от их распределения в областях кристаллов без включений (рис. 8) Величины механических напряжений вблизи газовых включений и вдали от них практически одинаковы.

Рис. 8. Дислокационные ямки травления участка поверхности кристалла парателлурита с пузырьками. Плоскость среза - (110)

Рис. 9. Оптические аномалии - свили и ассоциаты пузырьков в кристалле парателлурита. Кристалл снят перпендикулярно оси роста [110] в направлении [110]

Это подтверждается и пространственной локализацией в кристаллах свилей - узких областей с резко измененным показателем преломления Наиболее яркие свили никогда не проходят сквозь объемы с пузырьками и даже огибают их, что хорошо заметно на рис. 9.

В третьей главе рассмотрено влияние условий роста на захват газовых включений, а также изложены результаты исследований действия отжига полученных кристаллов парателлурита на огранение, распад и движение пузырьков в поле 1емпературного градиента.

Показано, что при любой из четырех возможных ФФК - форм фронта кристаллизации (выпуклой, вогнутой, выпукло-вогнутой, плоской) -возможны как массовый захват пузырьков, так и полное их отсутствие.

Установлено также, что хо1я кристаллы, выращиваемые из расплава химически более чистого диоксида теллура, в среднем содержат и меньшее количество пузырьков, влияние чистоты исходного сырья не является решающим для процесса захвата газовых включений в достаточно широком интервале концентраций посторонних примесей

Далее проанализированы механизмы диффузионного роста пузырьков, их коалесценции и захвата. Показано, что реальные технологические возможности подавления процесса флуктуационного зарождения микропузырьков с радиусами г выше критического радиуса г , по достижении которого они не растворяются, а растут, отсутствуют. Однако индивидуальная судьба каждого пузырька с радиусом г > г определяется сочетанием факторов, на которые уже можно влиять.

Результирующая сила Грез., действующая на пузырек в вертикальной плоскости, может (при малых скоростях роста V и при больших осевых температурных градиентах С=дТ!д:) уводить пузырьки с радиусами,

лежащими в некотором интервале значений, от кристалла вниз за счет действующей в этом направлении термокапиллярной силы (рис. 10)

а> о

хз тэ

300 250 200

150 100 5П о г0 -юи

- dr/at

• f (V=3*1 0" см/сек, 0=5 К(см) 1 (У-з*10 ' см>сеи. о=1 ок/см>

4 6 г мкм

140 120 100

so ь о

40 20

-Л"

Рис Ю. Зависимости скорости роста пузырьков и вертикальной результирующей силы от радиуса пузырька

На этом рисунке показана также зависимость с/г/с/т для скорости диффузионного роста пузырька.

Всплывшие пузырьки (Рре, > 0) либо захватываются кристаллом без изменения своей сферической формы (V»/-), либо оттесняются, подрастая, фронтом кристаллизации (V «/-), либо образуют в кристалле газонаполненные каналы (V ~г).

Определенную роль в процессах захвата газовых включений может играть коалесценция соседних пузырьков. При этом, в случае неравенства радиусов пузырьков, меньшие пузырьки поглощаются большими.

На рис 11 представлены картины коалесценции пузырьков, полученные с помощью компьютерного моделирования В широком интервале задаваемых модельных параметров развитие процесса происходит по одному и тому же сценарию - новые пузырьки усредняются по размерам, их пространственное расположение приобретает достаточно упорядоченный характер, после чего дальнейшая коалесценция прекращается.

тш^^Щ шм

Рис 11. Последовательные по времени картины коалесценции пузырьков, полученные в результате компьютерного моделирования

Учет гидродинамики расплава вблизи межфазной границы дает следующую формулу для величины радиус-вектора R точки отрыва пузырька от кристапла в зависимости от радиуса пузырька г:

ДЛЯ 0<г<к — VÍJn

для к — < г (2),

3 \í\

где Fpe, - результирующая сила, прижимающая пузырек к кристаллу, Q0 -угловая скорость вращения кристалла, к - коэффициент пропорциональности между толщиной скоростною пограничною слоя и критерием Рейнольдса, о* эффективное поверхностное на!яжение, характеризующее силу, препятствующую перемещению пузырька по поверхности кристалла. Захват газового включения соответствует условию о, г <аА г+ат.ж, и величина а должна быть близкой к значению а = ат ж+ аА г- ат.г. Она имеет смысл коэффициента растекания [7] и зависит от кристаллографической ориентации на поверхности твердой фазы.

Использование значений поверхностных натяжений огг и о, ж для ТеОз, рассчитанных В.М Самсоновым и экспериментально определенных в [8], дает для величины о значения порядка 10' Дж-м". Вычисления согласно (2) проводят к следующим зависимостям R(r) (рис. 12). Учет анизотропии величины о , дает удовлетворительное объяснение секториальному распределению пузырьков в парателлурите (рис. 13).

1 - без учета пограничного слоя

г пузырька, см

Рис. 12. Зависимости радиуса точки отрыва пузырька на кристалле от радиуса пузырька при различных моделях течения расплава

Рис. 13. Распределение пузырьков по пирамидам роста различных граней монокристалла парателлурита. Проекция в направлении [110]

Пониженная концентрация пузырьков в участках, относящихся к пирамидам роста сингулярных граней {110}, {111} и {101}, связана с малой величиной эффективного поверхностного натяжения о в направлениях, перпендикулярных этим граням.

Для оценки возможностей подавления нерегулярной конвекции расплава, способствующей захвату пузырьков, впервые измерена электропроводность расплава диоксида теллура. Измерения проведены в интервале температур 1160-1006К в жидкой фазе и продолжены после кристаллизации вплоть до температуры 560К уже в твердой фазе

Г"

—

600 800 1000

т, К

Рис. 14 Температурная зависимость десятичного логарифма электропроводности расплава и твердой фазы диоксида ¡еллура

Как следует из полученных данных (рис. 14), вблизи точки плавления, с учетом градиентов температуры и возможных переохлаждений, расплав диоксида теллура имеет электропроводность в интервале значений 500-1000 См м'1. Исходя из этого, можно оценить величину индукции магнитного поля, способного существенным образом подавить конвекцию расплава в тигле, по безразмерному критерию Гартмана (На):

Ha = R> Bjxlp.v (3)

где - радиус кристалла, Bz - осевая составляющая вектора индукции магнитного поля, рж - плотность расплава, v - кинематическая вязкость. Значения критерия Гартмана На ~ 200, при которых конвекцию удается существенно подавить в расплавах других веществ, достижимы в случае диоксида теллура при индукции поля не 0,2 Тл, а 40 Тл. Таким образом, вследствие низкой электропроводности и высокой вязкости расплава диоксида теллура подавление конвекции с помощью магнитного поля практически невозможно.

"5 з -и 5 2 -

1 -

0 -

-1 -

-2

Далее в работе рассмотрены огранение, распад и движении газовых включений в уже выращенных кристаллах парателлурита, находящихся в поле температурного градиента. Установлено, что пузырьки движутся в направлении градиента температуры со скоростями 0,1-1 нм-с"1; неизомерные поры распадаются на более мелкие поры; изомерные поры ограняются по плоскостям, отвечающим равновесной форме, а именно {110} и {101}. Показано, что при реальных давлениях пороговые механизмы, связанные с образованием дислокационных петель вакансионного типа, оказываются закрытыми. Преобладающими являются непороговые механизмы, к которым относятся вязкое течение матрицы, повакансионное растворение поры, испарение вещества с лобовой (более горячей) и конденсация его на тыльной (более холодной) поверхности поры.

В четвертой главе, экспериментально определены условия синтеза кристаллов парателлурита, не содержащих газовых включений.

Рис. 15. 1ипы конвекции в расплаве при выращивании кристаллов парателлурита:

а) конвекция при малых числах

Рейнольдса;

б) система с ячейками Бенара;

в) система с вихрями Тейлора (стрелка указывает один из

вихрей)

Установлено, что помимо низких скоростей вытягивания и относительно высоких осевых температурных градиентов в расплаве, следует добиваться такого режима конвекции, при котором вокруг кристалла образуется устойчивая система вихрей Тейлора с симметрией Ь2 В данном случае условие Неймана-Кюри, развитое в работах Ю.С. Смирнова [9] применительно к росту кристаллов, выполняется строго: при взаимодействии собственной симметрии кристалла Ь2 (для направления [110]) с осевой симметрией теплового поля (¿х) итоговая симметрия явления определяется наинизшей из симметрий. При меньших значениях чисел Рейнольдса наблюдается система конвективных ячеек типа ячеек Бенара, а при больших -полностью хаотическое движение расплава. В обоих случаях захват пузырьков возможен. Изображение типов конвекции расплава диоксида теллура, полученные цифровой видеокамерой, снабженной инфракрасным светофильтром, представлены на рис. 15.

Отсутствие газовых включений в кристаллах, выросших в условиях существования системы вихрей Тейлора, объясняется постоянными изменениями направления вектора скорости тока расплава, приводящими к отрыву пузырьков от фронта кристаллизации. Практическими результатами экспериментов, описанных в главе, является получение массивных (до 1,5 кг) монокристаллов парателлурита, не содержащих газовых включений Найдены интервалы значений ростовых параметров, одновременное использование которых исключает захват пузырьков.

Результаты и выводы.

1 В кристаллах парателлурита, выращиваемых из расплава, детально изучены газовые включения - их размеры, форма, концентрации, особенности пространственного распределения. Впервые доказано наличие газа в пузырьках, и измерено его давление.

2. Показано, что газовые включения в парателлурите - результат выделения на фронте кристаллизации растворенных с поверхности расплава газов, входящих в состав ростовой атмосферы

3. Изучено влияние пузырьков на рассеяние света кристаллами, и рассчитаны вклады рассеяния на пузырьках в общую экстинкцию света материалом

4. Исследована структура кристаллов вблизи газовых включений. Установлено, что поскольку плотность дислокаций и механические напряжения в местах включений не превышают средних значений по кристаллам, деформации снимаются при отжиге путем пластического течения в объемы пор.

5. Изучены огранение, распад и движение газовых включений в кристаллах в поле температурного градиента при отжиге. Показано, что преобладающими в этих явлениях являются непороговые механизмы -такие, как повакансионное растворение пор, вязкое течение матрицы и испарение материала на горячей стенке поры с одновременной конденсацией на холодной.

6. Впервые измерена электропроводность расплава диоксида теллура и ее температурная зависимость. При найденных низких значениях электропроводности расплава подавление с помощью магнитного поля нестационарной конвекции, способствующей захвату пузырьков, практически неосуществимо.

7. Впервые рассчитаны силы, действующие на пузырьки в расплаве диоксида теллура вблизи фронта кристаллизации как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Выведены соотношения, удовлетворительно описывающие и объясняющие локализацию включений, их форму и распределение по размерам.

* 8. Установлено, что оптимальным режимом конвекции расплава в тигле,

обеспечивающим полное устранение захвата газовых включений, является гидродинамическая структура с вихрями Тейлора. При этом одновременно < истинная вертикальная скорость роста кристаллов не должна превышать

0,5 мм/час, а осевой температурный градиент в расплаве не должен быть меньшим, чем 2-3 К/см.

9. Практически реализован устойчивый синтез кристаллов парателлурита из расплава, свободных от газовых включений.

Основные положения и результаты диссертационной работы ^ изложены в следующих публикациях:

1. Колесников A.M., Гречишкин P.M., Терентьев H.A., Иванов AM., Талызин И.В , Седова J1.B., Воробьева Е.Ю., Новикова С Б Выращивание

* крупногабаритных монокристаллов парателлурита и исследование их свойств и структуры // Физика кристаллизации. Тверь: ТвГУ 2002. С 18-36.

{ 2. Колесников А И , Каплунов И.А., Седова Л.В., Третьяков С.А Электро-

проводность расплава диоксида теллура // Расплавы. 2005. Вып.6.№19. С.69-73.

3. Иванов A.M., Седова Л.В., Талызин И.В., Токач О.И., Третьяков С.А.,

* Леванчук А.Н. Газовые пузырьки в кристаллах парателлурита // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2004. №4 (6). С 57-64.

4. Каплунов И.А., Колесников А.И., Талызин И.В., Седова Л.В., Шайо-вичС.Л. Измерение коэффициентов ослабления света монокристаллами германия и парателлурита // Оптический журнал. 2005. Т.72. №7. С.85-89

5. Седова Л.В., Т ретьяков С.А. Структурные дефекты в монокристаллах парателлурита // Материалы Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике». М.: МИРЭА. 2005. Т.4. С.257-260.

6. Каплунов И.А., Колесников А.И., Скоков К П., Гречишкин Р М., Седова Л.В., Третьяков С.А. Связь между механическими напряжениями и оптическими аномалиями в германии и парателлурите // Оптический журнал. 2005. Т.72. №7. С.85-89.

7. Седова Л В Секториапьное распределение газовых пузырьков в кристаллах парателлурита // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2005. Вып.2. №9(15).

8. Седова Л.В., Колесников А.И., Гречишкин P.M., Каплунов И.А. Влияние конвекции расплава диоксида теллура на захват газовых пузырьков кристаллами парателлурита // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2005. №.С.68-74.

Список цитируемой литературы

1. Bonner W.A., Singh S., Van Uitert L.G., Warner A.W. High Quality Tellurium Dioxide for Acousto-Optic and Non-Linear Applications // J. Electronic Materials. 1987. V.l. P.156-165.

2. Grabmaier J.G., Plattner R.D., Schieber M. Suppression of constitutional supercooling in Czochralsky-growth Paratellurite // J Crystal Growth. 1979. V.20 P.651-653.

3. Kumaragurubaran S., Krishnamurthy D., Subramanian C., Ramasamy P. Growth of paratellurite crystals: effect of axial temperature gradient on the quality of the crystals // J. Crystal Growth. 2000. V.211. P.276-280.

4. Колесников А.И , Каплунов И.А., Терентьев И.А. Дефекты различных размерностей в крупногабаритных монокристаллах парателлурита // Кристаллография. 2004. Т.49. №2. С.229-233.

5. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М: МИСИС. 2000. С.432.

6. Молчанов В.Я., Лютый В.М., Есипов В.Ф., Макаров О.Ю., Солодовников Н.П., Аникин С.П. Акустооптический спектрофотометр изображений для астрофизических наблюдений // Письма в астрономический журнал. 2002. Т.28. №10. С.788-795.

7. Смирнов Ю.М., Колесников А.И. Концепция особой сингулярной грани (на примере парателлурита) // Физика кристаллизации. Тверь- ТвГУ. 1994.

8. ДзюбаА.С., Ионг Зу Ю. Взаимодействие газовых пузырьков с фронтом кристаллизации расплава // Кристаллография. 1985. Т.ЗО Кеб С 1177-1180.

9. Смирнов Ю.М. Кристаллофизика в Тверском государственном университете//Вестник ТвГУ Серия «Физика». 2004 №4(6) С.54-56.

С.58-67.

С.24-28.

Технический редактор А.А. Медведева Подписано в печать 18.11.2005. Формат 60 х 84 /\6. Бумага типографская № 1. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № 485. Тверской государственный университет, Редакционно-издательское управление. Адрес: Россия, 170000, г. Тверь, ул. Желябова, 33. Тел. РИУ: (0822) 35-60-63.

12318?

РНБ Русский фонд

2006-4 28030

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Седова, Людмила Владимировна

Введение.

Глава I. Литературный обзор

1.1 Газовые включения в монокристаллах, выращиваемых из расплава.

1.2 Пузырьки в парателлурите.

1.3 Физические и химические свойства парателлурита и расплава диоксида теллура.

Глава II. Исследования монокристаллов парателлурита с газовыми включениями

2.1 Определение давления газа в пузырьках.

2.2 Оптические исследования пузырьков.

2.3 Рассеяние света кристаллами парателлурита с пузырьками.

2.4 Дислокации и механические напряжения вблизи пузырьков.

Глава III. Влияние условий роста на захват газовых включений. Действие отжига на включения в твердой фазе

3.1 Особенности выращивания монокристаллов парателлурита способом Чохральского.

3.2 Влияние чистоты исходного сырья.

3.3 Анализ механизмов диффузионного роста пузырьков, их коалесценции и захвата кристаллами парателлурита.

3.4 Причины секториального распределения газовых включений по пирамидам роста сингулярных граней.

3.5 Измерения электропроводности расплава диоксида теллура в связи с проблемой подавления конвекции магнитным полем.

3.6 Огранение, распад и движение пузырьков при отжиге в поле температурного градиента.

Глава IV. Условия синтеза парателлурита без пузырьков

4.1 Устойчивость и форма фронта кристаллизации.

4.2 Режимы конвекции. Вихри Тейлора.

4.3 Оптимальные кинематические и температурные параметры роста.

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Образование газовых включений при синтезе кристаллов парателлурита из расплава"

В конце 60-х - начале 70-х годов появляются сообщения о выращивании монокристаллов парателлурита - тетрагональной модификации диоксида теллура (а-ТеОг) способом Чохральского [1-5]. Исследователями сразу же были отмечены редкие, в ряде случаев -уникальные физические свойства этого материала: большие показатели преломления По и Пе, большое двулучепреломление, очень высокое удельное вращение плоскости поляризации, резкая анизотропия механических, тепловых, акустических и оптических констант, но в особенности - практически рекордно высокие для видимого диапазона значения коэффициента акустооптического качества Мг = п6р2/pV^g, где п показатель преломления, р - действующая фотоупругая константа, р -плотность, У3в - скорость звука. Действительно, благодаря большим значениям показателей преломления и очень малым значениям скоростей звука (всего лишь 600 м-с"1 для сдвиговой моды вдоль направления [110]),

1 о О 1 величина Мг достигает значений (600-800)-10" с -г" [6], что примерно в 500 раз больше, чем у такого классического акустооптического материала, каким является плавленный кварц. Совокупность столь ценных свойств предопределила повышенный интерес к производству монокристаллов парателлурита, основная сфера применения которых - материал для светозвукопроводов акустооптических устройств [7-12]. В связи с увеличением размеров оптически однородных кристаллов, в самое последнее время появилась возможность изготовления из парателлурита и традиционных оптических элементов - двулучепреломляющих призм [9].

За почти сорокалетнюю историю развития технологии выращивания парателлурита размеры получаемых кристаллов выросли с 10-15 мм в диаметре и 20-30 мм по высоте до 60-80 мм в диаметре и 70-80 мм по высоте. Заметно выросли также структурное совершенство и оптическое качество кристаллов. Однако по сравнению с кристаллами многих других веществ эти успехи не выглядят очень значительными. Например, у кристаллов кремния, являющихся основой большей части современной радиоэлектроники, размеры и показатели качества выросли за аналогичный период на 1-2 порядка. Сложность синтеза монокристаллов парателлурита определяется объективными обстоятельствами: низкой скоростью роста (вследствие малой теплопроводности), большими временами проведения ростовых процессов (до 100 часов и более), высокой вязкостью и химической агрессивностью расплава диоксида теллура, необходимостью выращивания кристаллов в газовой атмосфере, токсичностью паров диоксида теллура, сложным характером конвекции расплава в тигле, препятствующей автоматизации ростовых процессов, отсутствием промышленной технологии получения порошкообразной двуокиси теллура с чистотой более 99,999 %, хрупкостью уже выращенных кристаллов, связанной с остаточными механическими напряжениями, необходимостью проведения длительного послеростового отжига. При этом набор обсуждаемых в литературе структурных дефектов и их следствий, существенно ухудшающих качество кристаллов, и в самых первых публикациях [1-5], и в работах последнего времени [12-16] практически

X л один и тот же. Это высокая плотность дислокаций (до 10-10 см"), наличие границ блоков, аномальная (наведенная механическими напряжениями) двуосность, иногда превышающая 1-2°, оптические неоднородности -свили, пронизывающие зачастую весь объем кристалла, включения посторонних примесей, в том числе - платины из материала тиглей, и, наконец, пузырьки. Газовые включения могут присутствовать в кристаллах в целом очень низкого качества, но иногда обнаруживаются и в совершенных образцах, где они являются практически единственными серьезными дефектами. Размеры (диаметры) газовых включений в парателлурите лежат в интервале от нескольких микрометров до 2-2,5 мм. Эти объемные, грубые структурные дефекты поглощают и рассеивают звук и свет, искажают соответствующие волновые фронты и ухудшают требуемые параметры дифракции. Особенно недопустимы пузырьки в устройствах, применяемых для спектрального анализа изображений, а также в оптических призмах. Даже один пузырек в области акустооптического взаимодействия делает значительный объем материала непригодным для практического использования. Это связано с еще одной особенностью парателлурита - приемлемые по качеству кристаллы выращиваются почти исключительно в кристаллографическом направлении [110]. В то же время во многих акустооптических устройствах светозвукопроводы должны иметь максимальные размеры в направлении, близком к [001], т.е. в направлении оптической оси. Поэтому из цилиндрических буль должны вырезаться элементы в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Поскольку в этом случае максимальный размер элемента ограничивается по крайней мере диаметром кристалла, естественно стремление использовать центральную, приосевую часть були. Но именно здесь, как правило, и располагаются газовые включения (рис. 1).

Рис. 1. Газовые включения в центральной области монокристалла парателлурита

Таким образом, проблема устранения причин захвата пузырьков кристаллами парателлурита наиболее актуальна при получении материала, предназначенного для крупногабаритных светозвукопроводов акустооптических устройств. Требуемые в ряде случаев максимальные размеры элементов, с учетом современного уровня технологий синтеза парателлурита, действительно велики - 60 X 40 X 40 мм вдоль кристаллографических направлений [001], [110] и [ПО] соответственно.

До настоящего времени кристаллы а-ТеОг использовались в акустооптических устройствах почти всех известных типов [8,17-25]. К ним относятся модуляторы (АОМ) - как внутрирезонаторные, так и внешние по отношению к выходным зеркалам лазеров [7]. Это также дефлекторы лазерного излучения - одно- и двухкоординатные [7-10,26]. Это акустооптические электронно-перестраиваемые фильтры и акустооптические спектрометры [8,17]. Применялся парателлурит и в устройствах спектрального анализа радиосигналов (акустооптических процессорах) [7]. В последнее время появились сообщения о применении кристаллов парателлурита в системах спектрального разделения и мультиплексирования оптических каналов волоконно-оптических линий связи.

Наиболее важны большие размеры светозвукопроводов для некоторых видов фильтров, дефлекторов и процессоров. В частности, важнейшая характеристика фильтров и спектрометров - разрешающая способность ДЯ,/2, т. е. полуширина спектральной линии - связана с длиной

Ь взаимодействия света со звуком соотношением [8,27]:

ДЯ,/2 = 2М2/{2яАпЬ), (1) где Я - длина волны света, Ап = \п0-пе\ величина двулучепреломления. Для коллинеарного фильтра это выражение означает, что высокое разрешение реализуется при большой длине кристалла в направлении распространения света и звука.

Разрешающая способность акустооптического дефлектора (АОД) определяется числом N отделенных разрешаемых положений луча в интервале углов сканирования и выражается формулой [7]:

Лг = Д/£>/Ксоз©я, (2) где Д/ - полоса рабочих частот АОД; О - линейная апертура; V - скорость звука; ®Б - угол Брэгга. Таким образом, число разрешимых позиций дефлектора также пропорционально некоторому линейному размеру кристалла, только, в отличие от фильтров, это размер в направлении, перпендикулярном световому пучку.

Время обработки сигнала акустооптическим процессором также, очевидно, пропорционально размеру кристалла, но уже в направлении распространения ультразвука [7].

Таким образом, с точки зрения потребностей развивающейся акустооптики, актуальность и практическая значимость решения проблемы синтеза крупногабаритных кристаллов парателлурита, не содержащих газовых включений, достаточно очевидны. Однако и с научной точки зрения данная проблема также представляет несомненный интерес. Ее актуальность связана с необходимостью получения новых экспериментальных данных, касающихся различных аспектов трех физических явлений, протекающих одновременно при выращивании кристаллов из расплава, содержащего растворенные газы. Это динамика зарождения и развития газовых пузырьков вблизи фронта кристаллизации, теория которой разработана недостаточно. Это и задача о тепломассопереносе при выращивании кристаллов с высокими значениями критерия Прандтля, т. е. с высокой вязкостью и малой температуропроводностью. В настоящее время ее можно считать более или менее решенной только для расплавов полупроводниковых материалов, значения критерия Прандтля у которых на 1-2 порядка ниже, чем у расплава диоксида теллура. И, наконец, это кинетика газовых пузырьков в уже образовавшихся кристаллах в поле температурного градиента при отжиге и охлаждении. Последняя задача успешно решена только для некоторых частных случаев в рамках теории диффузионной ползучести.

Слабая разработанность данных вопросов и в отношении парателлурита подчеркивается отсутствием в известной литературе устоявшихся представлений о природе захвата пузырьков этими кристаллами. Одни исследователи считают, что причиной образования и захвата пузырьков являются микрочастицы платины, растворенной расплавом диоксида теллура из тигельного материала. Другие предлагают производить выращивание парателлурита в атмосфере благородных газов. В одних работах основное внимание уделяется чистоте исходной шихты -порошкообразной двуокиси теллура, в других - влиянию формы фронта кристаллизации (ФФК), в третьих - скоростям вращения кристаллов и скоростям их вытягивания из расплава.

В ряде работ указывается на влияние температурного градиента, причем раздельно - осевого и горизонтального. Ни в одной из публикаций все эти возможные причины не рассмотрены в совокупности. Помимо того, что в этих работах высказываются противоречивые взгляды, и приводятся взаимоисключающие экспериментальные факты и рекомендации, все они не выходят за рамки чисто эмпирического подхода. Среди явлений, явно влияющих на захват пузырьков, не изучены влияние конвекции расплава (в том числе и конвекции Марангони), не рассчитаны силы, действующие на пузырьки, уже образовавшиеся у фронта кристаллизации. Нет никаких сведений о влиянии анизотропии поверхностных энергий кристалл-газ и кристалл-расплав на процессы захвата пузырей. Возможная коалесценция мелких пузырьков также не рассматривалась.

Следует заметить, что и экспериментальная база известных исследований была достаточно узкой. Например, хотя сами полости изучались даже с помощью электронной микроскопии, до сих пор никем не было экспериментально установлено наличие в них газов, и не было измерено их давление.

Несмотря на сложность и взаимосвязанность недостаточно изученных процессов, приводящих к захвату пузырьков растущими кристаллами, нахождение условий, исключающих такой захват, для парателлурита оказывается возможным. Таким образом, результаты настоящих исследований могут быть полезными и при получении кристаллов других веществ, выращиваемых из расплава в газовой атмосфере.

Исходя из современного состояния проблемы, были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы состояла в исследовании причин захвата газовых включений кристаллами парателлурита при их синтезе и в определении ростовых параметров, препятствующих такому захвату.

В связи с данной целью были поставлены такие основные задачи:

• установление закономерностей пространственного распределения захватываемых кристаллами газовых включений и их распределения по размерам и геометрической форме;

• теоретические расчеты параметров диффузионной кинетики пузырьков вблизи фронта кристаллизации;

• определение механизмов и характеристик движения газовых включений в кристаллах парателлурита в поле температурного градиента при отжиге и охлаждении. и

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Выводы.

1. В кристаллах парателлурита, выращиваемых из расплава, детально изучены газовые включения - их размеры, форма, концентрации, особенности пространственного распределения. Впервые доказано наличие газа в пузырьках, и измерено его давление.

8. Установлено, что оптимальным режимом конвекции расплава в тигле, обеспечивающим полное устранение захвата газовых включений, является гидродинамическая структура с вихрями Тейлора. При этом одновременно истинная вертикальная скорость роста кристаллов не должна превышать 0,5 мм/час, а осевой температурный градиент в расплаве не должен быть меньшим, чем 2-3 К/см.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Седова, Людмила Владимировна, Тверь

1. Liebertz J. Einkristallzuchung von Paratellururit // Kristall und Technik. 1969. V.4. P.221-225.

2. Miyazawa S., Iwasaki H. Single crystal growth of paratellurite Те02 // Japanese Journal of Applied Physics. 1970. V.5. №9. P.441-445.

3. Bonner W.A., Singh S., Van Uitert L.G., Warner A.W. High Quality Tellurium Dioxide for Acousto-Optic and Non-Linear Applications // J. Electronic Materials. 1972. V.l. P. 155-165.

4. Miyazawa S., Kondo S. Preparation of paratellurite ТеОг // Materials Research Bulletin. 1973. V.8. P.1215-1222.

5. Grabmaier J.G., Plattner R.D., Schieber M. Suppression of constitutional supercooling in Czochralsky-growth Paratellurite // J. Crystal Growth. 1979. V.20.P.651-653.

6. Блистанов A.A., Бондаренко B.C., Переломова H.B. и др. Акустические кристаллы. М. 1982. С.242-253.

7. Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acoustooptic Devices and Their Applications. New York: Gordon and Breach Science Pub. 1989. 238 P.

8. Блистанов A.A. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.;МИСИС. 2000. 432С.

9. Смирнов Ю.М., Молчанов В.Я., Колесников А.И., Терентьев И.А., Ильин В.Е. Новые применения акустооптических устройств предъявляют новые требования к монокристаллам парателлурита // Физика кристаллизации. Тверь.: ТвГУ. 2002. С.9-17.

10. Тавасиев А.Ф., Торгашин А.Н., Чаликиди Н.К. Акустоопти-ческий дефлектор для технологических лазеров на длине волны 1,06 мкм // Акустооптические устройства и их применение. Орджоникидзе: СОГу, 1989. С.30-36.

11. Вуль В.А. Оптические запоминающие устройства. Л.: Энергия. 1979.184 С.

12. Иванов A.M., Седова JI.B., Талызин И.В., Токач О.И., Третьяков С.А., Леванчук А.Н. Газовые пузырьки в кристаллах парателлурита // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2004. №4 (6). С.57-64.

13. Колесников А.И., Каплунов И.А., Терентьев И.А. Дефекты различных размерностей в крупногабаритных монокристаллах парателлурита // Кристаллография. 2004. Т.49. №2. С.229-233.

14. Kumaragurubaran S., Krishnamurthy D, Subramanian С., Ramasamy P. Investigations on the growth of Bi2Te05 and ТеОг crystals // Journal of Crystal Growth. V.197. 1999. P.210-215.

15. Kumaragurubaran S., Krishnamurthy D, Subramanian C., Ramasamy P. Growth of paratellurite crystals: effect of axial temperature gradient on the quality of the crystals // J. Crystal Growth. 2000. V.211. P.276-280.

16. Molchanov V.Y., Chizhikov S.I., Anikin S.P., Solodovnikov N.P., Lyuty V.M., Esipov V.F., Kolesnikov A.I., Talyzin I.V. Acousto-optical systems for the images spectra analysis // Proc. SPIE. V.5828. Acousto-Optics and Applications. 2005. P.76-83.

17. Молчанов В.Я., Лютый B.M., Есипов В.Ф., Аникин С.П., Макаров О.Ю., Солодовников Н.П. Акустооптический спектрофотометр изображений для астрофизических наблюдений // Письма в астрономический журнал. 2002. Т.28. №10. С.788-795.

18. Smith W., Smith К. A polarimetric spectral imagor using Acousto-optic tunable filters // Experimental Astronomy. 1991. V.l. P.329-343.

19. Molchanov V.Y., Makarov O.Yu., Kolesnikov A.I. Acousto-optical for the planetary imaging and star spectroscopy // Techical Digest of the 8-thspring scool on acousto-optics and applications. Poland. Gdansk: Jurata 2005. P.23-25.

20. Gupta N. Acousto-optics tunable filters // Optics and photonics news. USA: Optical Society of Amerika. Nowember 1997. P.23-27.

21. Молчанов В.Я., Макаров О.Ю., Колесников А.И., Смирнов Ю.М. Перспективы применения монокристаллов Те02 в акустооптических дефлекторах УФ-диапазона // Вестник ТвГУ. Тверь. 2004. Серия «Физика». Вып.6. С.88-93.

22. Смирнов Ю.М., Каплунов И.А., Колесников А.И., Родионова Т.Е. Выращивание высокочистых крупногабаритных монокристаллов //Высокочистые вещества. 1990. №3. С.213-216.

23. Колесников А.И., Ленев В.В., Смирнов Ю.М. Монокристаллы парателлурита двух модификаций // Научно-технические достижения. М. 1991. №1. С.30-33.

24. Писаревский Ю.В. Высокоэффективные монокристаллические материалы для акустооптики и акустоэлектроники // Дисс. в виде докл. на соиск. уч. ст. д. ф.-м. н М.: ИК РАН. 1998. 43 С.

25. Korablev О., Bertaux J.-L., Grigoriev A., Dimarelis Е., Kalinnikov Yu., Rodin A., Muller C., Fonteyn D. An AOTF-based spectrometer for the studies of Mars Express ESA mission // Adv. Space Res. 2003. V.29. №2. P.143-150.

26. Балакший В.И., Парыгин B.H., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь. 1985. 280 С.

27. Штукенберг А.Г., Пунин Ю.О. // Закономерности эволюции Земной коры. СПб: СПбГУ, 1997. Т.2. С.318.

28. Иващенко Ю.Н., Марценюк П.С. Вычисление объема отрываю щейся капли // Методы исследования и свойства границ раздела контактирующих фаз. Киев: Наукова думка. 1977. С.30-33.

29. Чернов А.А., Гаваргизов Е.И., Багдасаров Х.С. и др. Современная кристаллография. Т.З. М.: Наука. 1980. С.366-375.

30. Гегузин Я.Е. Почему и как исчезает пустота. М. 1976. С.208.

31. Алексеечкии Н.В., Остапчук П.Н. О гомогенном зарождении газовых пор в двухкомпонентном растворе вакансий и атомов газа // Физика твердого тела. 1993. Т.35. №4. С.929 940.

32. Гайков A.JI. Кинетика зарождения вакансионно-газовых пор // Физика твердого тела. 1991. Т.ЗЗ №6. С. 1860-1864.

33. Алексеев Ю.А., Богомолов В.Н., Жукова Т.Б. и др. Эволюция структуры и оптических свойств системы ультрадисперсный металл-цеолит (Na-In) в процессе упорядочения кластерной подрешетки металла // Физика твердого тела. 1982. Т.24. №8. С.2438-2444.

34. Дзюба А.С., Ионг Зу Ю. Взаимодействие газовых пузырьков с фронтом кристаллизации расплава // Кристаллография. 1985. Т.30. №6. С.577-581.

35. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С. Роль открытых включений переохлажденного расплава в формировании газовых пузырей в тылу фронта кристаллизации // Кристаллография. 1981. Т.26. №3. С.577-581.

36. Окиншевич В.В., Багдасаров Х.С. Уточнение величины капиллярных сил, действующих на пузыри при кристаллизации // Физика кристаллизации. Калинин.: КГУ. 1989. С.20-27.

37. Воронкова Г.И., Воронков В.В., Хаджимухаметова И.И. Дефекты структуры в кремнии, связанные с захватом пузырьков водорода //Неорганические материалы. Т.24. №10. 1988. С.1589-1591.

38. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск: Наука и техника. 1969. С.535-538.

39. Chernov А.А., Kedrinskii V.K., Davydov M.N. Spontaneous nucleation of bubbles in a gas-saturated melt under instantaneous decompression // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2004. V.45. №2. P.28.

40. Dorbolo S., Caps H., Vandewalle N. Fluid instabilities in the birth and death of antibubbles // New Journal of Physics. 2003. P.161.1-161.9.

41. Wang Ya., Lead to Detached Solidification Experiments on

42. Freezing of Water//Crystal Growth and Design. 2002. V.2. №5. P.453-461.

43. Бункин Н.Ф., Серязов H.B., Ципенюк. Д.Ю. Малоугловое рассеяние лазерного излучения на стабильных образованиях микронного масштаба в дважды дистиллированной воде // Квантовая Электроника. 2005. Том.35. №2. С. 180-184.

44. Дзюба А.С. Особенности формирования газовых включений при росте кристалла из расплава // Кристаллография. Т.27. Вып.З. 1982. С.551-555.

45. Слезов В.В. Зарождение газонаполненных пор в твердых растворах//Физика твердого тела. 1995. Т.37. №10. С.2879-2891.

46. Соболев В.В. Динамическое поведение газовых включений в затвердевающем расплаве // Металлы. 1985. №5. С.56-63.

47. Григорян С.Г., Оганесян А.С., Оганесян А.Х., Тосмазян С.А. Захват газовых включений при выращивании кристаллов по Чохральскому // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Харьков. НИИТЭХНМ. 1982. С.49.

48. Foldvari I., VoszkaR., Peter A. Comments on gas-bubble entrapment in Te02 single crystals // Journal of Crystal Growth. 1982. V 59. P.651-653.

49. Колесников А.И. Влияние условий роста на распределение дефектов в чистых и легированных монокристаллах парателлурита // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь. 1996. 24С.

50. Lim L.C., Tan L.K., Zeng Н.С. Bubble formation in Czochralski-grown lead molybdate crystals // Journal of Crystals Growth. 1996. V.167. P.686-692.

51. Рабинович В.А., Хавин В.А. Краткий химический справочник. Л.: Химия. 1978. С.104.

52. Колесников А.И., Каплунов И.А., Седова Л.В., Третьяков С.А. Электропроводность расплава диоксида теллура // Расплавы. 2005. Вып.6.№19. С.69-73.

53. Салтыкова С.А. Стереометрическая металлография (стерео-логия металлических материалов). М.: Металлургия. 1976. 276С.

54. Колесников А.И. Кинетика захвата газовых пузырьков кристаллами диоксида теллура // Физика кристаллизации. Калинин.: КГУ. 1984. С.7-15.

55. Калашников А.П. Внешняя морфология и распределение дислокаций в кристаллах парателлурита // Докл. АН СССР. 1982. Т.263. С.1132-1134.

56. Хейман Р.Б. Растворение кристаллов. Л.: Недра. 1979. 272С.

57. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. М.: Химия. 1967-2077.

58. Базулев А.Н., Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю. Применение термодинамической теории возмущений к расчету межфазного натяжения малых объектов // Журнал физической химии. 2002. Т.76. №11. С.2073-2077.

59. Самсонов В.М., Базулев А.Н., Сдобняков Н.Ю. О линейной формуле Русанова для поверхностного натяжения малых объектов // Доклады Академии наук. 2003. Т.389. №2. С.211-213.

60. Окиншевич В.В. О развитии крупномасштабных флуктуаций энергии при кристаллизации, приводящих к рождению газовых пузырей // Физика кристаллизации. Калинин.: КГУ, 1989. С. 12-19.

61. Колесников А.И., Каплунов И.А., Смирнов Ю.М. Рассеяние света монокристаллами парателлурита // Тезисы IX нац. конференции по росту кристаллов. М.: ИК РАН. 2000. С.47.

62. Кох А.Е. Выращивание кристаллов парателлурита автоматизированным методом Чохральского // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л.: ГОИ. 1985. С.15-16.

63. Каплунов И.А., Колесников А.И., Талызин И.В., Седова Л.В., Шайович С.Л. Измерение коэффициентов ослабления света монокристаллами германия и парателлурита // Оптический журнал. 2005. Т.72. №7. С.85-89.

64. Каплунов И.А., Колесников А.И., Скоков К.П., Гречишкин P.M., Седова Л.В., Третьяков С.А. Связь между механическими напряжениями и оптическими аномалиями в германии и парателлурите // Оптический журнал. 2005. Т.72. №7. С.85-89.

65. Федоров О.П., Овсиенко Д.Е., Чемеринский Г.П. Взаимодействие включений с кристаллами, растущими из расплава // Моделирование роста кристаллов: Тезисы II Всесоюзной конференции.1. Рига. 1987. С.137-138.

66. Турок И.И., Пекарь Я.М., Полякова Т.Ф., Шпырко Г.Н. Получение двуокиси теллура высокой степени чистоты // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Харьков. НИИТЭХНМ. 1982. С.106.

67. Леммлейн Г.Г. Секториальное строение кристалла. М. Л.: Изд. АН СССР. 1948. 40С.

68. Колотий О.Д., Тимман Б.Л. Моделирование поведения включе ний вблизи фронта кристаллизации // Моделирование роста кристаллов: Тезисы II Всесоюзной конференции. Рига. 1987. С.208-210.

69. Седова Л.В. Секториальное распределение газовых пузырьков в кристаллах парателлурита // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2005. Вып.2. №9(15). С.58-67.

70. Братухин Ю.К., Бриксман В.А. Гидродинамика и теплообмен в невесомости. М.: Наука. 1982. С.98-109.

71. Смирнов В.А., Старшинова И.В., Фрязинов И.В. Математическое моделирование: Получение монокристаллов и полупроводниковых структур. М. 1986. С.40-59.

72. Мусатов М.И., Петунина И.Н. Влияние тепловых условий на перемещение пузырей перед фронтом кристаллизации // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Харьков. НИИТЭХНМ. 1982. С.80.

73. Лифшиц И.М. Избранные труды. Физика реальных кристаллов и неупорядоченных систем. М.: Наука. 1987. С.552.

74. Смирнов Ю.М., Колесников А.И. Концепция особойсингулярной грани (на примере парателлурита) // Физика кристаллизации. Тверь: ТвГУ. 1994. С.24-28.

75. Климонтович Ю.Л. Статистическая физика. М.: Наука. 1982. С.554-576.

76. Смирнов Ю.М. Кристаллофизика в Тверском государствен-ном университете // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2004. №4(6). С.54-56.

77. Смирнов Ю.М. Симметрия взаимодействий векторных величин // Физика кристаллизации. Калинин: КГУ. 1990. С.25-29.

78. Татарченко В.А. Устойчивый рост кристаллов. М.: Наука. 1988. С.240.

79. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное вычисление. М.: Наука. 1969. 424С.

80. Старшинова И.В. Процессы тепло-и массопереноса в расплаве при выращивании монокристаллов по Чохральскому // Автореферат диссертации кандидата технических наук ГИРЕДМЕТ. М. 1983. 22С.

81. Шеретов Ю.В. Математическое моделирование течений жидкости и газа на основе квазигидродинамических и квазигазодинамических уравнений // Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. д. ф.-м. н.Тверь. 2001. С. 18.

82. Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности.: Пер. с англ. М.: Мир. 1991. 143С.

83. Ковалевский A.B. Электропроводность расплавленных хлоридов иттрия и редкоземельных элементов // Расплавы. 1988. Т.2. Вып.4. С. 120-123.

84. Вильке К.Т. Выращивание кристаллов. Л.: Недра. 1977. 600С.

85. Скаковский В.А., Ленев В.В., Колесников А.И. Электропроводность парателлурита // Физика кристаллизации. Тверь. 1991. С.97-102.

86. Линевег Ф. Измерение температур в технике. М.: Металлургия. 1980. 543С.

87. Седова Л.В., Колесников А.И., Гречишкин Р.М., Каплунов И.А. Влияние конвекции расплава диоксида теллура на захват газовых пузырьков кристаллами парателлурита // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2005. ЖС.68-74 .

88. Александров Л.Н., Винокуров В.А., Геталов B.C. Основные условия выращивания структурно совершенных кристаллов из расплава методом Чохральского // Моделирование роста кристаллов. Тезисы II Всесоюзной конференции. Рига. 1987. С.278-279.

89. Milsom J.A., Pamplin B.R. Thermal oscillations in melts // Prog. Crystal Growth Charact. 1981. V.4. P. 195-219.

90. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. M.: Наука. 1977. 366С.

91. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. М. 1961. 210С.

92. Смирнов Ю.М. Симметрия физических величин // Физика кристаллизации. Тверь: ТвГУ. 1992. С.51-53.

93. Климова А.Ю., Хартманн Э., Батурин Н.А. Циркулярный дихроизм в кристалле парателлурита // Кристаллография. 1986. Т.31. Вып.З. С.602-603.

94. Штукенберг А.Г. Оптические аномалии в кристаллах неорганических твердых растворов // Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.геол.-мин. наук. СПб: СПбГУ, 1997. 16С.

95. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. JL: Наука. 1975. 592С.

96. Полежаев В.И. Гидромеханика и теплообмен при выращивании кристаллов. В кн.: Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ. 1984. Т. 18. С. 198.

97. ХакенГ. Синергетика: Иерархии неустойчевостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир. 1985. 423С.

98. Берже П. Конвекция Рэлея-Бенара в жидкостях с высоким числом Прандтля. М.: Мир. 1984. С.220-223.

99. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: МГУ. 1983. 80С.

100. Кох А.Е., Ипатьева O.E. Некоторые вопросы тепломас-сопереноса при выращивании кристаллов парателлурита методом Чохральского // Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции «Моделирование роста кристаллов». Рига. 1990. С.279-280.

101. Кох А.Е., Шкуратов Е.Б. Инверсия формы фронта кристаллиза ции при выращивании кристаллов по Чохральскому // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Харьков. НИИТЭХНМ. 1982. С.68.

102. Горбенко В.М. Кудзин А.Ю., Садовская Л.Я. Физические свойства и особенности технологии получения кристаллов ТеОг и соединений на его основе // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Харьков. НИИТЭХНМ. 1982. С.47.

103. Винокуров В.А., Алексеева Н.В., Кох А.Е. Выращивание кристаллов парателлурита в направлениях 001., [100], [112] // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Харьков. НИИТЭХНМ. 1982. С.35.

104. Виноградов A.B., JIomohob В.А., Першин Ю.А., Сизова Н.Л. Рост и некоторые свойства монокристаллов ТеС>2 большого диаметра // Кристаллография. 2002. Т. 47. № 6. С.1105-1109.

105. Гегузин Я.Е. Пузыри. М.: Наука. 1985. С. 176.

106. Антонов П.И. Изучение капиллярных явлений в процессе роста кристаллов // Рост кристаллов. М.: ИКАН. 1965. Т.VI. С.158-160.V