CC BY
24
Б01 10.18384/2310-7251-2022-1-26-40
ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ФЛЮОРИТА МЕТОДОМ ИНЕРЦИОННОГО ГРАДИЕНТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА
Саркисов С. Э, Юсим В. А, Клосс Ю. Ю, Сазыкина Т. А, Юсим Ф. А, Кондратьев К. В.
Научный исследовательский центр «Курчатовский институт»
123182, г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, Российская Федерация
Аннотация
Целью данной работы является получение монокристаллов CaF2 и CaF2:Pb2+ методом инерционного градиентного охлаждения (ГО) в неподвижном тигле при избыточном давлении инертного газа, а также исследование особенностей распределения примеси в монокристаллах, полученных данным методом.
Процедура и методы. В теплосберегающем графитовом узле ростовой установки горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) из сильно перегретого расплава в неподвижном тигле путём инерционного охлаждения печи получены монокристаллы флюорита размером 140х25х20 мм хорошего оптического качества. Исследовались спектры поглощения кристаллов CaF2 и CaF2:Pb2+, выращенных методом спонтанной кристаллизации и стандартным методом ГНК путём протяжки со скоростью 5 мм/час в атмосфере аргона.
Результаты. Синтезированы и исследованы монокристаллы CaF2 и CaF2:Pb2+, полученные методом инерционного градиентного охлаждения расплава в неподвижном тигле при избыточном давлении аргона. Установлены условия протекания процесса данного вида кристаллизации. Изучены особенности распределения примеси для монокристалла, полученного данным методом.
Теоретическая и практическая значимость. Ростовые исследования легированных кристаллов показали, что по сравнению с классическим методом ГНК в случае инерционной ГО-кристаллизации имеет место более равномерное распределение примеси по длине кристаллов. Сделан вывод об особенностях создания газовых атмосфер выращивания кристаллов фторидов методом ГНК-технологии Ключевые слова: температурный градиент; переохлаждение расплава; центры кристаллизации; инерционное охлаждение
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке НИЦ «Курчатовский институт» (приказ № 2758 от 21.10.2021) и грантов РФФИ № 19-29-02007, 19-29-2018, 20-08-00278, 20-08-00211 и при поддержке Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках проекта «Компьютерное моделирование и анализ газодинамических процессов в многоэлементных термоэмиссионных энергетических системах преобразования энергии», № 20-48-242918.
© СС BY Саркисов С. Э„ Юсим В. А., Клосс Ю. Ю„ Сазыкина Т. А., Юсим Ф. А., Кондратьев К. В., 2022.
GROWING FLUORITE SINGLE CRYSTALS BY THE METHOD OF INERTIAL GRADIENT SOLIDIFICATION OF THE MELT
S. Sarkisov, V. Yusim, Y. Kloss, T. Sazykina, F. Yusim, K. Kondratiev
National Research Centre "Kurchatov Institute"
ploshad' Akademika Kurchatova 1, Moscow 123182, Russian Federation
Abstracts
Aim. The purpose of this work is to obtain CaF2 и CaF2:Pb2+ single crystals of by the method of inertial gradient solidification of the melt in a stationary crucible at an excess pressure of an inert gas, as well as to study the features of the impurity distribution in single crystals obtained by this method.
Methodology. Fluorite single crystals 140x25x20 mm in size of good optical quality are obtained from a strongly overheated melt in a stationary crucible in a heat-saving graphite unit of the horizontal directional solidification (HDC) growth unit by inertial cooling of the furnace. The absorption spectra of CaF2 и CaF2:Pb2+crystals grown by the spontaneous crystallization method and the standard HSM method by drawing at a rate of 5 mm/h in an argon atmosphere are studied.
Results. Single crystals of CaF2 и CaF2:Pb2+obtained by the method of inertial gradient inertial gradient solidification of the melt in a stationary crucible at an excess pressure of argon are synthesized and studied. The conditions for the process of this type of crystallization are established. The features of the impurity distribution for a single crystal obtained by this method are studied.
Research implications. Growth studies of doped crystals show that, in comparison with the classical HDC method, in the case of inertial gradient solidification of the melt, there is a more uniform impurity distribution along the length of the crystals. A conclusion is made about the features of creating gaseous atmospheres for growing fluoride crystals using the HSM technology.
Keywords: temperature gradient; supercooling of the melt; centers of crystallization; inertial cooling.
Acknowledgments. This work was supported by the National Research Center 'Kurchatov Institute' (Order No. 2758 dated October 28, 2021) and the Russian Foundation for Basic Research (Grant Nos 19-29-02007, 20-08-00278, 20-08-00211, and 19-29-02018). This work was supported by the Government of Krasnoyarsk krai, and Krasnoyarsk Regional Fund for Supporting Scientific and Technologies Activities project nos. 20-48-242918 "Computer modeling and analysis of gas-dynamic processes in multi-element thermoemission energy conversion systems."
1.Введение
При гомогенной кристаллизации из расплава с понижением температуры в расплаве начинают зарождаться центры кристаллизации (зародыши), которые образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах из-за локальных температурных флуктуаций, вызванных тепловой конвекцией в объёме расплава. Такая кристаллизация называется самопроизвольной (спонтанная
кристаллизация - СК) [1; 2]. После окончания такого вида СК получается поликристаллическое тело. Однако если при медленном понижении температуры расплава создать направленное градиентное температурное поле с кристаллизацией на затравку, то рост кристалла примет режим не СК, а направленной кристаллизации путём инерционного градиентного охлаждения (далее - ГО) в неподвижном тигле без общепринятой протяжки его в холодную зону. В техническом плане такой процесс позволила осуществить конструкция созданного графитового теплового узла, в котором при температурах, значительно превышающих плавление, аккумулируется такое количество тепла, что после сравнительно недолгого ступенчатого понижения температуры нагревателей, за счёт собственного высокого теплового запаса и инерционности, в тепловом узле создаются температурные условия переохлаждения всего объёма расплава, поддерживающие нормальный рост кристалла. В этом заключается основное отличие данного способа от известного вертикального метода кристаллизации Штебера [1], в котором температура ростовой печи понижалась с использованием в конструкции специального «холодильника» для равномерного охлаждения нагревателя.
В качестве исходного материала для выращивания кристаллов использовали твёрдые брикеты высокой плотности, полученные из мелкодисперсного порошка СаБ2 с чистотой 99,998% путём высокотемпературного сухого спекания при 800°С в атмосфере аргона при 1000 гПа в течение 2 часов. Брикеты имели точную форму ростового тигля. Для удаления остаточной влаги (в т. ч. кислорода) к порошку СаБ2 перед спеканием в качестве раскислителя добавляли 2 мол.% порошка РЬБг чистотой 99,99%. Брикет в ростовом графитовом тигле перед плавлением выдерживали в течение 24 часов в вакууме 0,0005 торр. при 250°С для удаления влаги, а затем температуру медленно повышали до 900°С и поддерживали в течение 3 часов для удаления РЬО и избытка РЬБ2. После этого в кристаллизационную камеру подавали, прошедший через ловушку с жидким азотом обезвоженный инертный газ (Аг) до избыточного давления 507 гПа, и температуру расплава постепенно поднимали до 1780°С, т. е. на ~360°С выше точки плавления СаБ2 (1418°С). Исходное вещество расплавляли в графитовом тигле-лодочке, неподвижно установленном между двумя ленточными нагревателями сопротивления - верхним и нижним.
2. Условия протекания процесса кристаллизации путём инерционного градиентного охлаждения расплава и особенности аппаратуры
При кристаллизации рассматриваемым методом необходимо создать большой перегрев расплава и большой перепад температуры в зоне фронта кристаллизации для образования большого температурного градиента. Если в расплаве в условиях высокого переохлаждения температурный градиент будет мал, то весь образец окажется охлаждённым до уровня ниже температуры плавления ещё до начала кристаллизации, при этом для каждого случая величина переохлаждения, необходимого для выращивания совершенных кристаллов, зависит от
ViV
теплофизических свойств самого кристалла и его расплава [3]. Большие же температурные градиенты гарантируют начало зарождения до того, как весь расплав переохладится. В этом случае рост протекает в контролируемых условиях, когда изотерма, соответствующая температуре плавления, перемещается по образцу. Если изотерму перемещают по неподвижному тиглю посредством снижения общей температуры печи, она должна быть сконструирована так, чтобы температурный градиент в ней был бы близок к постоянному значению. Изотерма должна перемещаться перпендикулярно оси тигля с такой скоростью, чтобы граница «кристалл-расплав» успевала следовать за ней [1].
Важную роль, оказывающую влияние на кинетику процесса кристаллизации методом инерционного ГО расплава, играют конструкционные особенности теплового узла и экспериментальной ростовой аппаратуры в целом, определяющие процессы тепло- и масса-обмена. Полученные нами зависимости тепловой инерционности созданного теплового узла от степени прогрева системы показали, что с увеличением уровня прогрева внутреннего объёма узла тепловая инерционность значительно уменьшается и быстрее наступает термодинамическое равновесие. Уменьшение инерционности и более быстрое наступление термодинамического равновесия системы «нагреватель-окружение» с увеличением прогрева связано с соответствующим уменьшением тепловых потерь согласно известному выражению, которое с учётом площади излучения нагревателя можно записать в виде [4]:
С^пош. СС^Т]шгр. (1)
где а - коэффициент теплового рассеяния, Тшгр, - температура нагревателя, Токр, -температура окружающей среды (деталей теплового узла и всего объёма установки), Б - площадь излучения нагревателя.
Из (1) следует, что при Токр ТНагР. тепловые потери С)ПОт. 0, т. е. чем будет выше прогрев теплового узла (>Токр), тем быстрее наступит термодинамическое равновесие тепловой системы. Использование углеграфитовых материалов с различной теплопроводностью в конкретных элементах конструкции теплового узла обеспечивали, с одной стороны, высокую тепловую инерционность кристаллизационной камеры, а с другой - необходимый температурный градиент. В табл. 1 перечислены графитовые материалы разных марок, использованные при создании теплового узла [5].
Перечень теплофизических параметров материалов графитового теплового узла / List of thermophysical parameters of graphite thermal unit materials
Материал Теплопроводность Теплоёмкость Плотность р Степень черноты
Сталь 08, 08кп,10,10кп0Г,20,20Г45 «■55 460 7874 0,4
Материал [Вт/м.К] Теплоёмкость Плотность р Степень черноты
Графит SGL Carbon марки R4550, R7550 SIGRAFINE 105 840 1830 0,81
Графит МПГ-6,8,7 95 840 1850 0,8
Графитовый войлок GFA 0,08 1000 12-14 0,9
SGL Carbon марки SIGRAFLEX 900 700 0,115
SGL Carbon марки SIGRABOND 13 800 1450 0,8
Источник: [5]
Тепловую защиту, определяющую теплосбережеиие и, соответственно, тепловую инерционность установки, обеспечивала конструкция с чередованием тепловых экранов и прочих элементов с использованием марок графитов с низкой теплопроводностью и высокой теплоёмкостью (марок - GFA, Sigraflex, Sigrabond). Тигли изготавливались специально из графита марки Sigrafine R4550 немецкой фирмы SGL Carbon, имеющего очень высокую теплопроводность, в 2 раза превышающую соответствующую у стали. Эта особенность графитового материала использовалась в конструкции теплового узла для создания необходимого теплоотвода через носовую затравочную часть тигля для обеспечения осевого температурного градиента, необходимого для протекания процесса роста кристалла методом инерционного градиентного охлаждения из неподвижного тигля. Кроме того, следует отметить, что преимуществами камеры ростовой установки горизонтальной направленной кристаллизации (далее - ГНК) с горизонтально расположенным объёмом расплава по сравнению с вертикальными вариантами прочих известных методов выращивания являются практически одномерное в нём тепловое поле и сравнительно большая величина объёма зоны расплава. Конструкция графитовых тепловых диафрагм, отделяющих в тепловом узле ростовой модуль от отжигового, позволила получить перепад температуры до 400°С на границе расплава и холодной зоны на расстоянии до 5*10-2 м. Исходный материал загружался в среднюю ячейку 5-ти ячеистого графитового тигля (см. рис.1-а), при этом стенки боковых ячеек работали в качестве дополнительных боковых тепловых экранов.
Измерения температур проводились с помощью двух Pt30%Rh-Pt6%Rh термопар (рабочий диапазон 0-1820°С), спай одной из них касался верхнего нагревателя, спай другой устанавливался у боковой стенки пустой ячейки тигля, соседней с основной, заполненной расплавом для оценки инерционности тепловой системы. Компенсация холодного спая и оцифровки знаков выполняли на преобразователях сигнала термопар MAX31856MUD+, сбор данных производился на микроконтроллере AT91SAM3X8E, визуализация данных была выполнена в авторской программе "Sardius v3.0" (оцифровка данных полученных с термопар проводилась в соответствии с ГОСТ Р 8.585-2001).
Рис. 1. / Fig. 1 Тигель из графита марки Sigrafine R-4550 (а) и выращенный монокристалл 140x23x20 мм CaF2 в средней ячейке 5-ти ячеистого графитового тигля (б); на вставке - шлифованные образцы для исследований / Sigrafine R-4550 graphite crucible (a) and grown CaF2 single crystal 140x23x20 mm in the middle cell of a 5-cell graphite crucible (6); the insert shows polished samples for research. Источник: данные авторов.
Высокая степень теплового накопления в тепловом узле создаётся за счёт конструкции многослойных тепловых экранов и периферийной теплоизоляции из графитового войлока со сверхнизкими коэффициентами теплопроводности 0,08 Вт/м.К [5-7]. Конструкция также создаёт изотермические условия, препятствующие образованию высоких термических напряжений, обычно возникающих при чрезмерных перепадах температуры, что приводит к растрескиванию синтезированного образца. В конструкции нагревательного модуля благодаря многослойной тепловой экранировки объёма в вертикальных направлениях над верхним и под нижним нагревателями (сделаны из графита марки SGL Carbon SIGRAFINE R7550) и боковыми съёмными молибденовыми экранами, окружающими тигель сзади и с боков (рис. 1-6), аккумулируется и удерживается значительно большее количество тепла по сравнению с горизонтальным (осевым) направлением. Такая особенность конструкции нагревательного модуля приводит к созданию направленного канала теплоотвода к носовой части тигля, благодаря которому в расплаве создаётся устойчивый осевой температурный градиент в сторону холодной зоны, с которой граничит массивная носовая часть тигля, изготовленного, как указывалось выше, из марки графита с высокой теплопроводностью. Тепловой узел позволил создать тепловую инерционность, при которой изменение температуры кристалла происходит с такой скоростью, что структура кристалла успевает прийти в равновесное состояние, тем самым создаются условия, препятствующие возникновению напряжений. Одновременно с этим, благодаря высокой температурной инерционности печи, также сглаживается влияние ступенчатого характера процесса понижения температуры, что в значительной степени предотвращает температурные флуктуации в расплаве и на фронте кристаллизации.
Расплав в перегретом состоянии при 1780°С выдерживали для гомогенизации, и одновременно с этим происходила аккумуляции тепла тепловым узлом, а затем температуру печи ступенчато снижали в течение 60 часов. При температуре ~1550°С в носовой части, контактирующей с охлаждаемой поверхностью тигля, начинается кристаллизация расплава с последующим последовательным затвердеванием всего объёма путём ГО. Существенное влияние на продолжительность процесса кристаллизации и, соответственно, скорость продвижения фронта роста по длине тигля в глубину объёма расплава оказывает высокая инерционность созданной тепловой системы. Представленные на рис. 2 зависимости показывают, что благодаря высокому накоплению и длительному сбережению тепла внутри теплового узла создаются условия, позволяющие значительно увеличить продолжительность процесса ГО-кристаллизации до ~ 5,5-6 часов, что при длине кристалла 140 мм позволяет оценить скорость продвижения фронта кристаллизации ~ 25 мм/ч.
Как следует из рис. 2, ниже области кристаллизации, при ~1300°С температуры обеих зависимостей выравниваются и последующее остывание печи идёт при общем понижении температуры нагревателей до 400°С, после чего нагреватели отключаются и охлаждение происходит инерционно до комнатной температуры.
На рис. 3-а показана временная зависимость понижения температуры нагревателя. На вставке рис. З-б показан полный ход изменения температуры на про-
тяжении всего процесса выращивания, включая нагрев до необходимых значе ний и инерционное охлаждение до комнатных температур. Образцы получен ного бесцветного монокристалла СаБ2 без трещин, представлены на рис. 1-6.
Исследовались спектры поглощения кристаллов СаБ2:РЬ2+, выращенных методом инерционной ГО-кристаллизации в неподвижном тигле и стандартным методом ГНК путём протяжки со скоростью 5 мм/час в атмосфере аргона. Легированные кристаллы СаБ2:РЬ2+ были получены из чистых бескислородных кристаллов СаБ2.
Спектры оптического поглощения (см. рис. 4), снятые на спектрофотометре СФ-56, показали, что полученные исходные беспримесные кристаллы СаБ2 не содержали ионов свинца и кислорода (рис. 4 - зелёный). Далее из этих измельчённых чистых образцов была выращена серия легированных кристаллов, с различным содержанием РЬГ2 (рис. 4 - красный и синий). Для предотвращения испарения РЬБ2 в ростовой камере создавалась газовая Аг-среда с избыточным давлением. Спектры поглощения образцов СаБ2 с различными концентрациями РЬБ2 состоят из пяти полос поглощения ионов РЬ2+, соответствующих двум дублетам 207, 217, и 233, 246 нм, а также синглету 308 нм. Поскольку ион РЬ2+, замещающий в решётке ион Са2+, имеет ту же валентность, что и Са2+, но больший геометрический размер (0,143 нм), чем ион Са2+ (0,126 нм), то при высоких концентрациях легирующей примеси это приводит к искажению кристаллической решётки, и в легированных кристаллах, начиная с 4 моль%РЬБ2 возникают структурные дефекты в виде блоков. Эта же особенность влияет на характер распределение легирующей примеси в кристалле. Кроме того, повышение концентрации примеси приводит к заметному возрастанию концентрационного переохлаждения расплава, которое проявляется в появлении морфологических дефектов в виде ячеистой структуры у получаемого кристалла. Коэффициент распределения примеси в кристаллах к = Ств / Сж (где С - концентрация примеси в соответствующей фазе) для большинства примесей, обладающих хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твёрдой, соответствует равновесному коэффициенту распределения ко = (Ств/Сж) <1. Процессы массопереноса в расплавленной зоне при нормальных скоростях кристаллизации и перемешивании всегда приводят к образованию диффузионного слоя на границе раздела фаз с концентрационным пиком в области кристаллизации [8]. Поскольку кристалл растёт с определённой конечной скоростью, оперируют фактическим эффективным коэффициентом распределения, который отличается от равновесного к0 и тем больше, чем больше скорость роста. Количественная связь между кЭфф и ко определяется из уравнения Бартона-Прима-Слихтера [8; 9]:
3. Влияние технологических условий синтеза кристаллов на распределение легирующей примеси
■эфф
(2)
где V - скорость перемещения фронта кристаллизации; Б - коэффициент диффузии примеси в жидкой фазе 10 5-104 см2/с); Д - толщина диффузионного
Рис. 3 / Fig. 3. Инерционное снижении температуры во времени в графитовом тепловом узле ростовой установки: а) в области кристаллизации расплава; б) общая температурная временная зависимость процесса выращивания.
Квадратом, выделена область, показанная в «а».
Inertial decrease in temperature in time in the graphite thermal unit of the growth unit: a) in the area of melt crystallization; 6) general temperature time dependence of the growing
process. The square highlights the area shown in "a". Источник: данные авторов.
Диффузионный слой при к,фф <1 обогащён, а при кэфф > 1 - обеднён примесью. Чем интенсивнее перемешивается расплав, тем меньше толщина диффузионного слоя. При энергичном перемешивании толщина слоя А составляет -10 3 см, при слабом ~10 1 см [10]. Безразмерная величина VJD называется «приведённой скоростью роста» (ПСР). Чем меньше ПСР, тем ближе кэфф и к0: если WD 0, то [кэфф-^ко\^< 1. ПСР можно снизить, уменьшив У или Л (за счёт перемешивания расплава) или увеличив D. При увеличении ПСР эффективный коэффициент кэфф приближается к единице: если Vü/D к бесконечности, то кэфф ->1. В этом случае примесь не успевает оттесниться в расплав растущим кристаллом. Содержание примеси в кристалле становится таким же, как в расплаве. На рис. 5 пока-
2.0 - D
А Л\
1.8 -
j
1.6 - il AT -1
-Л г........ i\ i / l
1.4 - Г i \ i '
:::::::::i::\::::: /
1.2 \ .........Li... /
\ ............A... /
1.0 - \J .........i.....I- \
! \ (Ту \
0.8 - : / ] \
i /
0.6 -
0.4 -
0.2 -
0.0 - Дш ша вол иы. ю
1 1 200 ■ 1 ' 220 1 1 . 1 1 1 . 240 260 1 1 ' 280 ■ i ' 300 ' 1 ' 320 ' 1 " i 340
Рис. 4 / Fig.4. Спектры поглощения при комнатной температуре кристаллов CaF2 чистых и легированных РЬ2+: 1-3 мол.% PbF2; 2-1 мол.% PbF2; 3 - беспримесный / Room-temperature absorption spectra of pure CaF2 crystals and those doped with Pb2+: 1 - 3 mol.% PbF2; 2 - 1 mol.% PbF2; 3 - pure. Источник: данные авторов.
В случае инерционной ГО-кристаллизации, начиная с середины (~75 мм) от общей закристаллизовавшейся фазы (150 мм), 1Сп практически не меняется и, следовательно, кэфф ->1. Для кристаллов, выращенных методом ГНК, характерно распределение примеси с кэфф< 1 по всей длине. Таким образом, (ПСР)инерц.кр>(ПСР)гнк.
Как известно, при выращивании кристаллов фторидов используют как вакуумную, так и технологию с избыточным давлением инертного газа. Для поддержания стехиометрического состава растущего кристалла по содержанию фтора, подвергающегося испарению из расплава в результате процесса термодиссоциации, можно, либо добавлять к исходному веществу PbF2, либо создавать фторирующую атмосферу выращивания, например, за счёт термического разложения тетрафторэтилена CF4. Наши исследования по выращиванию кристаллов фторидов методом ГНК показали, что в этом случае вакуумная технология из-за большой поверхности зеркала расплава приводит к практически полному испарению вещества (на 80-90%) в течение ~ 2 часов. Поэтому при ГНК-технологии в условиях исключительно избыточного давления инертного газа от 0,5 до 1 атм. синтез можно проводить либо с использованием CF4 в вакууме до Т~350-400°С, а
затем нагрев вести при давлении инертного газа, либо с добавкой РЬР2 в вакууме до Т~ 900°С, а дальше до плавления в инертной газовой атмосфере, но нельзя создавать инертно-фторирующую атмосферу одновременно с присутствием РЬБг, иначе последний останется в расплаве и войдёт в кристалл в виде примеси с полосами поглощения в УФ областях.
Рис. 5 / Fig. 5. Кривые изменения приведённых коэффициентов поглощения К'п линии
с Х= 308 нм по длине кристалла L в зависимости от метода выращивания: верхняя -ГНК для кристалла CaF2:Pb2+ (3 мол.%); нижняя - инерционная ГО-кристаллизация для кристалла CaF2:Pb2+(l мол.%) / Curves of the change in the reduced absorption coefficients K*n of the line with \= 308 nm along the length of the crystal L depending on the method of growth: the upper one is HDC for the CaF2:Pb2+ crystal (3 mol.%); lower - inertial gradient solidification of the melt crystallization for a CaF2:Pb2+ (1 mol.%) crystal. Источник: данные авторов.
4. Заключение
Выращены монокристаллы СаБ2, СаБ2:РЬ2+ и исследованы особенности их получения путём инерционного градиентного охлаждения расплава в неподвижном тигле при избыточном давлении аргона. Кристаллические образцы 140x23x20 мм оптического качества были получены из сильно перегретых расплавов. Важную роль в получении монокристаллов методом инерционного градиентного охлаждения расплава играют конструкция и материалы теплового узла, который должен представлять собой среду прямого аккумулирования тепла. Конструкции графитового теплового узла и его нагревательного модуля позволили создать температурные условия, при которых изотерма роста, направленная от носовой части тигля к хвостовой, двигалась синхронно с границей «расплав-кристалл». Такие условия возникают благодаря высокой температурной инерционности печи, которая одновременно с этим в процессе ступенчатого понижения температуры на нагревателях поддерживает плавный характер изменения теплового поля вокруг растущего кристалла и, соответственно,
ViV
уменьшает температурные флуктуации в расплаве и на фронте роста. При этом тепловой узел вместе с инерционностью протекания процессов теплообмена должен обеспечивать оптимальные температурные градиенты. Благодаря тепловой инерционности системы, плавный переход от режима кристаллизации расплава к режиму температурного отжига кристалла, не меняя его положения внутри теплового узла, позволяет избежать образования напряжений, приводящих к растрескиванию кристаллов во время охлаждения. Ростовые исследования легированных кристаллов показали, что по сравнению с классическим методом ГНК, в случае инерционной ГО-кристаллизации имеет место более равномерное распределение примеси по длине кристалла. Сделан вывод об особенностях создания газовых атмосфер выращивания кристаллов фторидов методом ГНК-технологии.
Статья поступила в редакцию 24.01.2022 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Мир, 1974. 540 с.
2. Вильке К.-Т. Методы выращивания кристаллов. Л.: Недра, 1968. 424 с.
3. Багдасаров X. С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. М.: Физматлит, 2004. 160 с.
4. Исследование теплообмена в графитовом тепловом узле установки по выращиванию монокристаллов методом ГНК / Саркисов С. Э., Юсим В. А., Рябченков В. В., Кали-муллин Р. К., Говорун И. В., Сакмаров А. В. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2019. № 3.С. 68-81.
Ivanova L. V., Sakmarov А. V. Mathematical modeling of heat and mass transfer processes in the graphite thermal unit of the crystallization apparatus for Horizontal directional solidification method // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1560. International Interdisciplinary Scientific Conference "Advanced Element Base of Micro- and Nano-Electronics" (20-23 April 2020, Moscow, Russian Federation). P. 012060. DOI: 10.1088/1742-6596/1560/1/012060.
6. Рябченков В. В., Саркисов С. Э. Патент RU 2 608 891 С. Устройство для получения монокристаллов тугоплавких фторидов; НИЦ «Курчатовский институт». -№ 2016107781; заявл. 03.03.2016; опубл. 26.01.2017, Бюл. № 3 - 11 с.
7. Патент RU 2643980С1. Тепловой узел установки для выращивания галоидных кристаллов методом горизонтальной направленной кристаллизации / Юсим В. А., Кали-
№ 2017127968; заявл. 04.08.2017; опубл. 26.02.2018, Бюл. № 4 - 19 с.
8. Полупроводники / ред. Н. Б. Хенней. М.: Издательство иностранной литературы, 1962. 668 с.
9. Пфанн В. Зонная плавка. М.: Мир, 1970. 366 с.
10. Джексон К., Ульман Д., Хант Дж. О механизме роста кристаллов из расплава // Проблемы роста кристаллов. М.: Мир,1966. С. 27-86.
REFERENCES
1. Laudise R., Parker R. Rost monokristallov [The Growth of Single Crystals], Moscow, Mir
2. Wilke K. Th. Metody vyrashchivaniya kristallov [Methods for growing crystals] Leningrad,
Nedra Publ., 1968. 424 p.
3. Bagdasarov Kh. S. Vysokotemperaturnaya kristallizatsiya iz rasplava [High-temperature crystallization from melt], Moscow, Fizmatlit Publ., 2004. 160 p.
Sakmarov A. V. [Study of heat transfer in a graphite thermal unit of the facility for growing single crystals by the HDC method]. In: Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo universiteta. Seriya: Fizika-Matematika [Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics], 2019, no. 3, pp. 68-81. DOI: 10.18384/2310-7251-2019-
Sakmarov A. V. Mathematical modeling of heat and mass transfer processes in the graphite thermal unit of the crystallization apparatus for Horizontal directional solidification method. In: Journal of Physics: Conference Series, 2020, Vol. 1560. International Interdisciplinary Scientific Conference "Advanced Element Base of Micro- and Nano-
DOI: 10.1088/1742-6596/1560/1/012060.
6. Ryabchenkov V. V., Sarkisov S. E. Patent RU2 608 891 C. Ustroystvo dlya polucheniya monokristallov tugoplavkikh ftoridov [Device for obtaining single crystals of refractory fluorides]; National Research Centre "Kurchatov Institute". No. 2016107781; declared 03.03.2016; publ. 26.01.2017, Bulletin No. 3, 11 p.
7. YusimV.A., Kalimullin R. K„ Ryabchenkov V. V., Sarkisov S. E. Patent RU2643980C1. Teplovoy uzel ustanovki dlya vyrashchivaniya galoidnykh kristallov metodom gorizontal'noy napravlennoy kristallizatsii [Thermal unit of the installation for growing halide crystals by the method of horizontal directional crystallization]; National Research Centre "Kurchatov Institute". No. 2017127968; declared 04.08.2017; publ. 26.02.2018, Bulletin No. 4, 19 p.
8. HenneyN. B.. ed. Poluprovodniki [Semiconductors]. Moscow, Izdatel'stvo inostrannoy literatury Publ., 1962. 668 p.
9. Pfann W. Zonnayaplavka [Zone melting]. Moscow, Mir Publ., 1970. 366 p.
10. Jackson K., Ulman D., Hunt G. [On the mechanism of crystal growth from melt]. In: Problemy rosta kristallov [Problems of Crystal Growth]. Moscow, Mir Publ., 1966, p. 27-86.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Саркисов Степан Эрвандович - кандидат физико-математических наук, заместитель начальника отдела физических процессов и прикладных технологий (ОМФПиПТ) Управления по нераспространению и физической защите Курчатовского комплекса реабилитации и нераспространения Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];
ViV
Юсим Валентин Александрович - старший научный сотрудник, и. о. начальника Лаборатории экспериментального моделирования и синтеза тугоплавких материалов Управления по нераспространению и физической защите Курчатовского комплекса реабилитации и нераспространения Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»;
e-mail: [email protected];
Клосс Юрий Юрьевич - доктор физико-математических наук, начальник отдела физических процессов и прикладных технологий (ОМФПиПТ) Управления по нераспространению и физической защите Курчатовского комплекса реабилитации и нераспространения Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];
Сазыкина Татьяна Алексеевна - научный сотрудник Лаборатории экспериментального моделирования и синтеза тугоплавких материалов Управления по нераспространению и физической защите Курчатовского комплекса реабилитации и нераспространения Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];
Юсим Федор Александрович - научный сотрудник Лаборатории материалов канальных реакторов отделения реакторных материалов и технологий Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий, отделение реакторных материалов и технологий (ОРМиТ) Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];
Кондратьев Константин Викторович - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории материалов канальных реакторов отделения реакторных материалов и технологий Курчатовского комплекса НБИКС-природоподоб-ных технологий, отделение реакторных материалов и технологий (ОРМиТ) Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Stepan E. Sarkisov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Deputy Head, Department of the Office for Non-proliferation and Physical Protection of the Kurchatov Rehabilitation and Nonproliferation Complex, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected];
Valentin A. Yusim - Senior Researcher, Acting Laboratory Head, Laboratory of Expérimental Modeling and Synthesis of Refractory Materials of the Directorate for Nonproliferation and Physical Protection of the Kurchatov Rehabilitation and Nonproliferation Complex, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected];
Yuri Y. KIoss - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Departmental Head, Department of Physical Processes and Applied Technologies of the Directorate for Nonproliferation and Physical Protection of the Kurchatov Rehabilitation and Nonproliferation Complex, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected]
Tatiana A. Sazykina - Researcher, Laboratory of Experimental Modeling and Synthesis of Refractory Materials of the Directorate for Nonproliferation and Physical Protection of the Kurchatov Rehabilitation and Nonproliferation Complex, National Research Center "Kurchatov Institute";
e-mail: [email protected];
Fedor A. Yusim - Researcher, Laboratory of Materials of Channel Reactor of Kurchatov Complex NBICS - nature-like technologies, Department of Reactor Materials and Technologies, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected];
Konstantin V. Kondratiev - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher, Laboratory of Materials of Channel Reactors of Kurchatov Complex NBICS -nature-like technologies, Department of Reactor Materials and Technologies, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected];
ПРАВИЛЬНАЯ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ
Выращивание монокристаллов флюорита методом инерционного градиентного охлаждения расплава / Саркисов С. Э., Юсим В. А., Клосс Ю. Ю., Сазыкина Т. А., Юсим Ф. А., Кондратьев К. В. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. 2022. № 1. С. 26-40.
FOR CITATION
Sarkisov S. E., Yusim V. A., Kloss Y. Y., Sazykina T. A., Yusim F. A., Kondratiev К. V. Growing fluorite single crystals by the method of inertial gradient solidification of the melt. In: Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics, 2022, no. 1, pp. 26-40. DOI: 10.18384/2310-7251-2022-1-26-40.
