ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА
© И.А.Прохоров, И.Л.Шульпина
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2011 г.
Важность проблемы получения кристаллов с высокой однородностью свойств инициировала интенсивные исследования процессов, ответственных за формирование концентрационных и структурных неоднородностей в кристаллах. Они стали центральной частью экспериментов по росту кристаллов в условиях микрогравитации, а также по физическому моделированию условий тепломассопереноса, характерных для малой гравитации, на Земле. Уже первые эксперименты по росту кристаллов в условиях микрогравитации убедительно продемонстрировали потенциальную возможность существенного улучшения микрооднородности кристаллов (см. Walter H.U. Results of materials-science experiments with sounding rockets // ESA Journal. 1983, v.7, p. 235).
Однако почти 40-летний опыт проведения таких экспериментов (более 700 экспериментов только в СССР до 1995 года) показал, что специфические факторы орбитального полета (остаточные квазистационарные микроускорения, вибрации, сложный характер изменения малых массовых сил и т.п.) влияют на ход процесса кристаллизации, значительно усложняя возможность получения однородных и совершенных кристаллов (см. Мильвидский М.Г., Верезуб Н.А., Картавых А.В., Копелиович Э.С., Простомолотов А.И., Раков В.В. Выращивание монокристаллов полупроводников в космосе: результаты, проблемы, перспективы // Кристаллография. 1997, т.42, № 5, с. 913).
Неоднородности кристаллов, выявляемые различными аналитическими методами, отражают особенности тепломассопереноса вблизи фронта кристаллизации и являются основным источником информации об особенностях процесса кристаллизации и возмущающих эффектах различных внешних факторов. Эти исследования служат основой совершенствования технологий получения кристаллов с заданной структурой и свойствами. В докладе обобщается опыт применения наиболее чувствительных, главным образом, рентгеновских дифракционных методов для диагностики кристаллов, выращенных в различных условиях тепломассопереноса. Показана высокая эффективность использования развитых методов для характеризации кристаллов, полученных в условиях ослабленной термогравитационной конвекции при физическом моделировании условий микрогравитации, а также выращенных по программе наземной подготовки полетных экспериментов и на борту автоматических космических аппаратов «Фотон».
Теоретические расчеты показывают, что в условиях микрогравитации принципиально возможно получение кристаллов с недостижимыми на Земле структурой и свойствами (см. Захаров Б.Г., Стрелов В.И., Осипьян Ю.А. Проблемы, перспективы и альтернативы выращивания монокристаллов полупроводников в космосе // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009, №2, с. 3.). Однако это требует высочайшего контроля и управления многими параметрами процесса выращивания. При отработке наземных экспериментов было показано, что на Земле возможна реализация ослабленной термогравитационной конвекции. При направленной кристаллизации это достигается за счет преимущественно осевого подвода тепла к расплаву сверху при создании малых радиальных температурных градиентов (см. там же).
Возможно устранение неуправляемых вибраций от механизмов перемещения ампулы, если проводить рост кристаллов в движущемся с постоянной скоростью осевом температурном градиенте без перемещения кристалла и нагревателя (см. Serebryakov Yu.A, Prokhorov I.A., et al. Concentration and structure inhomogeneities in GaSb(Si) single crystals grown at different heat and mass transfer conditions // Journal of Crystal Growth, 2007, v. 304, p. 11). Однако требуется техническое усовершенствование установок для выращивания кристаллов, адекватный выбор исходных материалов для экспериментов и развитие диагностической базы, что стимулирует дальнейшее развитие работ в этом направлении.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проект № 09-02-97516).