ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Диэлектрические монокристаллы парателлу­рита и полупроводниковые монокристаллы германия - это важнейшие, а иногда и безальтернативные материалы для многих типов современных оптических и оптоэлектронных устройств.

Монокристаллы оптического германия, помимо традиционного ис­пользования в электронике и классической оптике (в качестве линз и за­щитных окон объективов тепловизионных инфракрасных устройств) на­шли применение в акустооптике (в дефлекторах излучения CO₂лазеров) и фотовольтаике (в качестве подложек в многослойных структурах солнеч­ных элементов).

В связи с появлением на порядки более мощных, чем ранее, непре­рывных и импульсных лазеров, а также в связи с разработкой новых типов оптоэлектронных устройств и стремлением к повышению характеристик известных устройств, в последнее десятилетие резко ужесточились требо­вания к увеличению размеров, к структурному качеству, прозрачности и лучевой прочности кристаллов парателурита и германия. Однако, несмот­ря на значительные успехи в совершенствовании технологий получения этих кристаллов, новые требования к материалам уже являются проблем­ными.

Кристаллы парателлурита и германия выращиваются из расплава. При получении парателлурита, помимо способа Чохральского, применя­ется способ Бриджмена-Стокбаргера. Кристаллы германия выращиваются по Чохральскому, а также способами Степанова, Кирополуса и направ- 3

ленной кристаллизации. Наименьшими концентрациями дефектов струк­туры всех размерностей и максимальной однородностью распределения по объему оптических, акустических и электрофизических параметров от­личаются кристаллы парателлурита и германия, выращиваемые способом Чохральского. Вследствие этого существенная часть закономерностей в ростовой кинетике кристаллизации обоих веществ оказывается близкой или общей, что позволило считать полезным объединение двух объектов исследования в одной работе. Кинетика кристаллизации парателлурита и германия изучена крайне недостаточно как с теоретической стороны, так и экспериментально. Возможности и состояние современных теорий роста из расплава не позволяют получить каких-нибудь численных значений кинетических характеристик для конкретных веществ, а следующие из них грубые оценки, например, для кинетических коэффициентов, могут отличаться на несколько порядков. Поэтому экспериментально получае­мые значения переохлаждений расплава и скоростей роста, данные о мик­рорельефе и нанорельефе поверхностей кристалла важны не только при оптимизации технологий в частных случаях, но и представляют интерес для развития самой теории роста кристаллов из расплава.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется, с од­ной стороны, возросшими в настоящее время требованиями к размерам и структурному совершенству важнейших и востребованных в оптоэлек­тронике и фотонике кристаллов парателлурита и германия.

Цель настоящей работы - исследование кинетики и механизмов роста монокристаллов парателлурита и германия из расплава способом Чохральского. Для достижения цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:

• Измерение температурных полей в камерах ростовых установок и на поверхности расплава в тиглях, а также исследование гидродинамики расплава в процессах вытягивания кристаллов парателлурита и гер­мания по Чохральскому.

• Вывод формул для истинных мгновенных скоростей вертикального и радиального роста кристаллов способом Чохральского с учетом по-

нижения уровня расплава, в том числе, из-за испарения со свободной поверхности между кристаллом и стенками тигля.

• Измерение константы испарения расплава диоксида теллура.

• Теоретические оценки асимметрии процессов роста и плавления кри­сталлов с точки зрения кинетики.

• Исследование связи габитуса, макроморфологии и микроморфологии поверхности монокристаллов парателлурита и германия, а также гид­родинамики расплава в процессах вытягивания кристаллов парател­лурита и германия по Чохральскому с условиями, существовавшими во время образования кристаллов.

• Расчет кинетических коэффициентов для роста кристаллов парател­лурита и германия, установление типов механизмов роста, реализую­щихся при использовании способа Чохральского.

Научная новизна:

• Впервые получены данные о распределении температуры по поверх­ности расплава в тиглях при выращивании монокристаллов парател­лурита и германия способом Чохральского.

• Разработан и практически реализован новый способ измерения тем­пературы локальных участков свободной поверхности расплава в тиг­ле при выращивании кристаллов способом Чохральского.

• Выведены соотношения для истинных вертикальной и радиальной мгновенных скоростей роста кристаллов по Чохральскому, впервые учитывающие понижение уровня расплава за счет испарения распла­ва.

• Впервые измерена константа испарения расплава диоксида теллура в условиях выращивания кристаллов парателлурита.

• Впервые с помощью тепловизионной техники и цифровой видеоаппа­ратуры изучена гидродинамика расплава при выращивании кристал­лов парателлурита и германия.

• Впервые обнаружены экспериментально при выращивании германия и парателлурита, а также обоснованы теоретически явления, связан­ные с асимметрией кинетики процессов роста и плавления кристал­лов.

• Впервые определены кинетические коэффициенты, характеризующие процессы роста кристаллов парателлурита и германия по нормально­му механизму.

Практическая значимость.

Результаты измерений температурных полей и гидродинамики рас­плава при получении кристаллов парателлурита и германия, анализ их влияния на ростовую кинетику и структурное качество материалов ис- 5

пользованы при оптимизации соответствующих ростовых технологий. Найденные при этом общие закономерности и сделанные из них выводы могут применяться при разработке или коррекции технологий выращива­ния монокристаллов других веществ, у расплавов которых значения кри­терия Прандтля лежат в максимально широком диапазоне.

Целенаправленно оптимизированная в соответствии с результатами исследований ростовая кинетика приводит к существенному улучшению структурного качества и однородности свойств монокристаллов парател­лурита и германия. При распространении подходов и методов, развитых в настоящей работе, на процессы выращивания способом Чохральского других технически ценных для электроники, оптики и фотоники кристал­лов следует ожидать аналогичных положительных эффектов.

Методология и методы исследований.

При исследованиях микроморфологии ростовых поверхностей кри­сталлов использованы методы оптической микроскопии, растровой элек­тронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микрорентгено- вского анализа и интерференционной профилометрии.

Температурные поля в расплаве, кристалле и окружающем ростовом пространстве исследованы с помощью термопар и тепловизионной аппа­ратуры, а также разработанным бесконтактным методом. Новый метод включает получение с помощью цифровой фото-видеоаппаратуры цвет­ных изображений поверхности расплава с кристаллом и последующий компьютерный анализ по трем цветовым каналом (RGB) интенсивности, записанной в пикселях ПЗС матрицы, соответствующих отдельным участ­кам или точкам в изображении, выбранным пользователем.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• При выращивании крупногабаритных монокристаллов парателлурита и германия способом Чохральского могут иметь место оба механизма роста - нормальный и послойный (тангенциальный).

• Микрорельеф боковых поверхностей кристаллов обоих веществ сви­детельствует о некоторой асимметрии процессов роста и плавления: при одних и тех же по модулю переохлаждении и перегреве расплава линейная скорость роста больше линейной скорости плавления.

• Данные о переохлаждениях на межфазной границе, полученные с по­мощью разработанного метода измерения температуры поверхности расплава, заключающегося в компьютерном анализе цветных изобра­жений, фиксируемых цифровой видеокамерой, позволяют оценить кинетические коэффициенты для роста кристаллов по нормальному механизму. У парателлурита кинетический коэффициент составляет ~ ICT⁶см ∙c^¹К^-1, у германия ~1(Γ⁴см ∙c^¹К^-1.

• Установленные особенности гидродинамики, состоящие в образова­нии в тигле вихрей переохлажденного расплава, обращающихся во­круг вытягиваемого кристалла, позволяют путем рассчитываемого понижения скорости вращения длительное время поддерживать неиз­менными ростовую кинетику и форму фронта кристаллизации, близ­кую к плоской.

Достоверность результатовдиссертации обосновывается экспери­ментальной проверкой теоретических положений, выполненных C помо­щью современных методов и аппаратуры, апробацией на научных конфе­ренциях, публикациями в рецензируемых изданиях, практическим исполь­зованием при получении монокристаллов парателлурита и германия с улучшенными структурными и оптическими характеристиками.

Основное содержание работы опубликовано в 6 статьях, включая 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы были представлены на XI Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (г. Ставрополь, 22-27 апреля 2012 г.), Международной междисциплинарной научной конферен­ции «Синергетика в общественных и естественных науках» (г. Тверь, ТвГУ. 17-21 апреля 2013 г.), Всероссийской научно-технической конфе­ренции молодых ученых с международным участием «Физика, химия и новые технологии» в рамках программы XXII Каргинских чтений (г. Тверь, 26-28 марта 2015 г.), Шестой международной конференции «Кри­сталлофизика и деформационное поведение перспективных материалов» (г. Москва, 26-28 мая 2015 r.), XIII Международной конференции «Пер­спективные технологии, оборудование и аналитические системы для ма­териаловедения и наноматериалов» (г. Курск, 24-26 мая 2016 г.), Первом Российском кристаллографическом конгрессе (г. Москва, ВДНХ, 21-26 ноября 2016 г.), Всероссийской научно-технической конференции моло­дых ученых с международным участием «Физика, химия и новые техно­логии» в рамках программы XXIII Каргинских чтений (г. Тверь, 24-26 марта 2016 r.), VI Международной конференции по фотонике и информа­ционной оптике (г. Москва, НИЯУ МИФИ, 1-3 февраля 2017 г.), Всерос­сийской научно-технической конференции молодых ученых с междуна­родным участием «Физика, химия и новые технологии» в рамках про­граммы XXIV Каргинских чтений (г. Тверь, 23 марта 2017 r.), IV Между­народной научно-практической конференции «Прикладные аспекты гео­логии, геофизики и геоэкологии с использованием современных инфор­мационных технологий» (г. Майкоп, 15-18 мая 2017 г.), 3-ей Междуна­родной научно-практической конференции «Физика и технология нанома­

териалов и структур» (г. Курск, Юго-Западный государственный универ­ситет. 23-25 мая 2017 г.).

Настоящая работа выполнена на кафедре прикладной физики Твер­ского государственного университета. Работа по теме диссертации прово­дилась в соответствии с тематическими планами НИР, в рамках реализа­ции ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение № 14.574.21.0084 от 08.07.2014; RFMEFI57414X0084).

Структура и объем диссертационной работы.Диссертационная ра­бота состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 158 страниц основного текста, 77 рисунков, 2 таблицы, 123 наименования цитированной литературы.

Личный вклад автора.Диссертантом совместно с научным руково­дителем проводились: выбор темы, постановка задач, планирование рабо­ты и структуры диссертации, обсуждение полученных результатов. Само­стоятельно автором выполнены эксперименты по исследованию микро­морфологии ростовых поверхностей монокристаллов парателлурита и германия с помощью оптического поляризационного микроскопа МИМ-8, атомно-силового микроскопа Solver Р47, интерференционного профило­метра NanoMap 1000 WLI, растрового электронного микроскопа JEOL 6610LV. Самостоятельно изучены температурные поля в ростовом про­странстве камер установок по выращиванию монокристаллов парателлу­рита и германия с помощью термопар и тепловизионной камеры FLIR, с помощью цифровой видеотехники и специальной компьютерной про­граммы обработки изображений изучены распределения температуры и гидродинамика в приповерхностных слоях расплавов диоксида теллура и германия в процессах получения кристаллов обоих веществ способом Чохральского.

Авторскими являются расчеты истинных скоростей вертикального и радиального роста кристаллов с учетом понижения уровня расплава и его испарения, а также теоретический анализ явлений, связанных с асиммет­рией процессов кристаллизации и плавления.