L.3.4. Захват примесей кристаллом

Примеси не только меняют форму кристалла, но и включаются в объем кристалла при его росте. Как захваченные кристаллом примеси размещаются в его структуре, мы рассматривали в разделах, посвященных изоморфизму и дефектам кристаллов (разделы … и …). Здесь нас интересует, как распределяется примесь в объеме кристалла на макроуровне. Количество входящей в кристалл примеси при его равновесии со средой определяется изоморфной емкостью структуры в отношении этой примеси, и может быть выражено равновесным коэффициентом распределения , где и – концентрации примеси в кристалле и в среде кристаллизации соответственно. Однако захват примесей растущим кристаллом может очень сильно отличаться от равновесного, и эффективный коэффициент захвата. Захватывается примесь, адсорбированная на гранях растущего кристалла, и потому. Чем выше энергия адсорбции примеси, тем больше ее входит в кристалл. А поскольку адсорбция избирательна и то эффективный коэффициент захвата может на порядки различаться для граней разных простых форм. Поэтому содержание примесей, как правило, различно в разных секторах, или пирамидах роста кристалла – т.е. в областях кристалла, формируемых нарастанием разных граней (рис.L.22а). Такое неоднородное распределение примесей по объему кристалла носит название секториальность. Это явление чрезвычайно характерно для природных и синтетических кристаллов.

Другой, также очень распространенный тип примесной неоднородности кристаллов – зональность. В зональном кристалле хронологически разные его участки (зоны роста) имеют разный состав (рис.L.22б,в). Причины зональности – либо изменение во времени состава среды кристаллизации, либо вариации скорости роста кристалла. Эффективный коэффициент захвата зависит от скорости роста кристалла (рис.L.23). Если скорость роста падает во времени из-за исчерпания пересыщения, концентрация примеси постепенно меняется от центра кристалла к его периферии (растет при и падает при). Это непрерывная, или трендовая зональность (рис.L.22б). Если скорость роста кристалла колеблется во времени из-за колебаний температуры, давления или концентрации вещества в среде, то возникает колебательная, или осцилляционная зональность (рис.L.22в).

Итак, состав кристалла всегда в той или иной степени неоднороден. Но от состава кристалла зависят параметры его элементарной ячейки. Поэтому в разных участках кристалла различается метрика его решетки – возникает явление, именуемое гетерметрия (греч. heteros – другой, metrou – мера). Необходимость сопряжения разноразмерных частей в одном твердом теле приводит к взаимной подгонке их параметров решетки, а значит – к возникновению в кристалле внутренних напряжений. Точно так же напряжения могут порождаться неоднородностью температуры кристаллов при их росте из расплавов. Напряжения гетерометрии могут достигать громадных значений – до 10⁹ Па. Результатом является частое растрескивание кристаллов во время или после роста, а также образование пластических дефектов, рассмотренных в разделе … - дислокаций, блоков, двойников. Иногда для этого достаточно совершенно незначительных вариаций параметров элементарной ячейки – всего на стотысячные доли нанометра.

Подписи к рисункам к разделу L - «Образование кристаллов»

Рис.L.1.Диаграмма состояния однокомпонентной системы.

Рис.L.2. Схемы методов выращивания кристаллов из газовой фазы: а, б - метод «испарение – конденсация», в – метод газотранспортных реакций.

Рис.L.3. Схема выращивания кристаллов из расплава методом Чохральского (а) и способ получения профилированных кристаллов (б).

Рис.L.4. Схема метода горизонтальной направленной кристаллизации.

Рис.L.5. Схема метода Вернейля (а) и кристалл со слоем расплава на торце (б).

Рис.L.6. Диаграммы растворимости с прямой (а) и обратной (б) зависимостью растворимости от температуры.

Рис.L.7. Схемы методов выращивания кристаллов из низкотемпературных растворов: а – метод снижения температуры, б – метод испарения растворителя.

Рис.L.8. Схема гидротермального метода.

Рис.L.9. Области стабильных, метастабильных и лабильных растворов на диаграмме растворимости.

Рис.L.10. Энергетический барьер при образовании кристаллического зародыша (для двух пересыщений).

Рис.L.11. Зависимость вероятности зародышеобразования от пересыщения: а – гомогенное, б – гетерогенное зарождение.

Рис.L.12. Распределение температуры (а) и концентрации (б) в среде кристаллизации у поверхности растущего кристалла; индексы означаю температуру или концентрацию при равновесии (р), на грани кристалла (гр) и в объеме среды (о); J_Q, J_M – потоки тепла и массы соответственно.

Рис.L.13. Скелетные кристаллы: а – реберный, б – вершинный.

Рис.L.14. Структуры атомно-шероховатой (а) и атомно-гладкой (б) граней на кристалле с простой кубической решеткой; заштрихованы частицы в изломах.

Рис.L.15. Регенерация кристаллического шара.

Рис.L.16.Тепловое размытие атомно-гладкой грани: а – обычная температура, б – температура, близкая к точке плавления.

Рис.L.17. Тепловое размытие торца ступени на атомно-гладкой грани (обычная температура).

Рис.L.18. Двумерный зародыш на атомно-гладкой грани.

Рис.L.19. Последовательные стадии движения ступени вокруг точки выхода винтовой дислокации (а – г) и холмик роста (вициналь) в профиль.

Рис.L.20. Адсорбция примеси на атомно-гладкой грани (а) и в изломе атомно-шероховатой грани (б).

Рис.L.21.Антискелетный (округлый) кристалл алмаза – форма роста при примесном отравлении, имитирующая форму растворения.

Рис.L.22.Примесная неоднородность кристаллов: а – секториальность, б – трендовая зональность, в – осцилляционная зональность.

Рис.L.23. Зависимость эффективного коэффициента распределения от скорости роста кристалла.

Поиск по сайту: