21640 IMG8 139 (2)

r

138

6.4. Monokmtalizacia

6. Krystalizacja z fazy ciekłej

Maksymalną szybkość krystalizacji określa równowaga pomiędzy ciep|_e ] wydzielonym podczas krystalizacji    ¹⁾¹ J

Gi = AQp*>ki    i

gdzie A jest powierzchnią krystalizacji, Q - ciepłem krzepnięcia, a ciepły odprowadzanym przez kryształ

8 dr

■    ⁶²    I

gdzie jest przewodnością cieplną kryształu, d1Jdx - gradientem tempery

Z przyrównania zależności (6.2S) i (6.26) wynika zależność na prędkość u stalizacji:

J_dT

"‘'(ipiix-    ■ •

Dla przeciętnej wartości dT/dx = 5 -r 10 K otrzymuje się szybkość wzrostu ki)_S? talu w przedziale 0,5 -r 50 cm/h.

Liczne metody hodowli monokryształu z cieczy sprowadzają się w istocie J modyfikacji dwóch podstawowych.

Metoda „wyciągania” kryształu z cieczy opracowana przez CzochralskieJ a znacznie ulepszona przez Dasha, polega na zetknięciu z powierzchnią ciekłej, metalu pręta (rys. 6.28a). Przy różnicy temperatur cieczy i pręta (przechłodzenie), J jego czołowej powierzchni tworzy się zarodek krystalizacji wzrastający przy pod^ szeniu pręta z szybkością krystalizacji. Ponadto pręt wykonuje ruch obrotowymi wyeliminowania różnic gradientu temperatury na obwodzie. Po utworzeniu kryszti. łu długości kilku jego średnic obniża się temperaturę ciekłego metalu, dzięki czem powiększa się średnica kryształu. „Wyciąganie” jest podstawową metodą otrzyj wania monokryształów krzemu i germanu dla potrzeb elektroniki.

Metoda krystalizacji z pionowym gradientem temperatury opracowana prze Bridgmana polega na kierunkowej krystalizacji metalu w tyglu dzięki gradientów temperatury w kierunku jego osi (rys. 6.28b), wywołanym ruchem tygla albo pin Pojedynczy zarodek krystalizacji tworzy się dzięki małej objętości cieczy ropoczyna-jącej krzepnięcie w stożku dna tygla, a jego wzrost następuje przy utrzymaniu stałej gradientu temperatury. Metoda jest stosowana do otrzymywania kryształów meta! niskotopliwych (Pb, Zn, Mg, Al), średniotopliwych (Ag, Au, Cu), a nawet wysotoj topliwych (Ni, Co, stopy Fe).

Metoda krystalizacji z poziomym gradientem temperatury, opracowana przez I Kapicę i ulepszona przez Chalmersa, różni się od metody Bridgmana poziomjt a nie pionowym układem pieca, i w związku z tym wykorzystaniem otwartej łódki, zamiast tygla. Małą objętość cieczy rozpoczynającej krystalizację jednym zarodkiei zapewnia zwężenie końca łódki. Stosowane są również łódki z przewężeni® i w pewnej odległości od końca. Tworzy się wówczas kilka zarodków krystalizacji, ak' tylko jeden z nich odpowiednio zorientowany może rozrastać się za przewężeniem

Warunki krystalizacji w obu rozwiązaniach są takie same jak w metodzie Bridgma-_na, Pierwsze rozwiązanie stosowane jest do metali niskotopliwych o małym napięciu powierzchniowym (Sn, Pb, Cd, Zn, In, Al), a drugie do wysokotopliwych metali o dużym napięciu powierzchniowym (Cu, Ni).

Metoda krystalizacji z poziomym gradientem temperatury jest bardzo wygodna do otrzymywania kryształów o określonej orientacji krystalograficznej. Zarodkiem jest w tym przypadku mały kryształek, w którym metodami dyfrakcyjnymi wyznaczono wymaganą płaszczyznę (kierunek) krystalograficzną. Umieszcza się go w łódce pod kątem, pod którym wymagana płaszczyzna nachylona jest do jego osi geometrycznej. Po rozpoczęciu krystalizacji zarodek zwykle topi się częściowo, ale następująca później krystalizacja przebiega w wymaganej orientacji.

Spcyficznym rodzajem monokryształów są tzw. kryształy włosowate (wiskersy), długości przeważnie kilkunastu milimetrów i grubości 0,05 -r 2,0 pm o wielokątnym (kwadratowym, sześciokątnym itp.) przekroju poprzecznym.

Kryształy włosowate otrzymuje się specjalnymi metodami: przez kondensację par (Zn, Cd, Cu, Ag), redukcję chlorków (Cu, Ag, Au, Fe, Ni, Co, Pt) lub elektrolityczne osadzanie metalu na małej katodzie przy dużej gęstości prądu (Sn, Zn).

Zastosowanie naukowe kryształów włosowatych sprowadza się do precyzyjnych badań właściwości mechanicznych, a zwłaszcza magnetycznych.