СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИМЕСНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В КРИСТАЛЛАХ GАSB(TE) ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
© Ю.А.Серебряков, В.Н.Власов, В.С.Сидоров, И.А.Прохоров, И.Л.Шульпина, Е.Н.Коробейникова
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2011 г.
В космосе при практически полном отсутствии термогравитационной конвекции естественным образом может осуществляться переход к диффузионным условиям тепломассопереноса в расплаве. В этом случае рост кристаллов будет происходить на основе процессов самоорганизации и самосборки атомов. Такие условия необходимы для формирования высокой однородности структуры и свойств выращиваемых кристаллов. Однако при этом необходимо принять меры для исключения влияния всех остальных источников конвекции (остаточных микроускорений и вибраций на борту космического аппарата (КА), капиллярной конвекции Марангони), роль которых значительно возрастает на фоне отсутствия естественной конвекции. Анализ результатов космических экспериментов и наземные модельные исследования влияния указанных факторов позволили более детально установить их роль и условия минимизации их воздействия для развития космических технологий (см. Б.Г. Захаров, В.И. Стрелов, Ю.А. Осипьян. Проблемы, перспективы и альтернативы выращивания монокристаллов полупроводников в космосе // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009, №2, с.3–10). Важным условием является также осуществление процесса кристаллизации при ориентации оси роста параллельно результирующему вектору микроускорений и в направлении, противоположном его воздействию.
Комплекс разработанных технических и технологических приемов для исключения капиллярной конвекции Марангони и минимизации виброускорений был использован при проведении космического эксперимента (КЭ) по направленной кристаллизации GaSb:Te методом Бриджмена на автоматическом космическом аппарате «Фотон-М» №3. Однако выполнение условия по оптимальной ориентации и направлению оси роста при движении спутника на орбите не осуществляется. После приземления спускаемого аппарата был проведен наземный эксперимент (НЭ). Оба эксперимента выполнялись при одних и тех же температурно-временных режимах на одной и той же ростовой установке «Полизон»: ставилась цель исследовать особенности макро- и микронеоднородностей распределения примеси в кристаллах GaSb:Te, выращенных в различных условиях тепломассопереноса при исключении конвекции Марангони и минимизации воздействия вибрационных микроускорений. При этом в НЭ процесс кристаллизации проводился в условиях ослабленной термогравитационной конвекции вертикальным методом Бриджмена при направлении роста, противоположном вектору g0. В КЭ при исключении термокапиллярной конвекции и минимизации влияния вибрационных микроускорений основным источником конвективных течений были квазистатические микроускорения, ориентация результирующего вектора которых относительно оси роста в процессе кристаллизации менялась.
В космическом эксперименте обнаружено периодическое осевое распределение примеси с периодом Т90 мин, соответствующим времени оборота спутника вокруг Земли. Такая периодичность, очевидно, связана с периодичностью изменения направления вектора остаточных микроускорений относительно фронта кристаллизации. В наземном эксперименте наблюдаемая периодичность с Т15 мин и Т220 мин связана с условиями тепломассопереноса при ослабленной термогравитационной конвекции. Микрооднородность распределения примеси в космическом образце выше, чем в наземном.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проект № 09-02-97516).