ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современные технологии микро- и наноэлектроники, квантовой электроники, квантовой и нелинейной оптики, акустооптики, полупроводникового приборостроения и других бурно развивающихся направлений функциональной электроники неразрывно связаны с использованием оптических материалов с особыми физическими свойствами [1-5].

К числу наиболее эффективных материалов в своих диапазонах прозрачности относятся монокристаллы германия (диапазон длин волн 2...20 мкм) и парателлурита (диапазон 0,35...5,5 мкм). Кристаллы германия находят применения в акустооптических устройствах управления лазерным излучением, главным образом в системах модуляции, сканирования и сдвига частоты излучения СО₂-лазеров на длине волны 10,6 мкм. Парателлурит обладает необычной комбинацией материальных констант и физических свойств. Это обусловливает его широкое применение в акустооптических спектральных приборах: электронно-перестраиваемых фильтрах, дисперсионных линиях управления формой ультракоротких лазерных импульсов, процессорах радиосигналов и т.д. Управляющая ВЧ-мощность акустооптического прибора пропорциональна квадрату длины волны оптического излучения. Поэтому естественной тенденцией является увеличение длины акустооптического взаимодействия в кристалле, то есть длины самого кристалла, для снижения уровня управляющей мощности. Одновременно улучшается спектральное

разрешение фильтров и линий задержки. В современных акустооптических приборах длина оптического пути может достигать значительной величины.

Несмотря на успехи, достигнутые в получении крупногабаритных монокристаллов германия (диаметром до 300 мм и более) и парателлурита (диаметром до 80 мм), до сих пор эти кристаллы не производятся промышленными способами в широких масштабах. Не выработаны надёжные технологические процедуры, обеспечивающие 100%-ный выход годной продукции кристаллов с заданными свойствами. Не выработаны единые критерии контроля структурного качества и оптической однородности этих кристаллов. Практически отсутствуют экспериментальные данные по исследованиям микроморфологии и дислокационной структуры с помощью современных средств электронной микроскопии, интерференционной профилометрии, поляризационной оптической микроскопии. Нерешённость этих и близких к ним вопросов объясняется сложностью и многофакторностью фундаментальной проблемы кристаллофизики - синтеза кристаллических материалов с заданными свойствами. Актуальность тематики настоящей работы определяется острой востребованностью оптических кристаллов высокого качества в различных отраслях науки и техники, особенно в лазерных технологиях.

Цель настоящей работы выявление закономерностей формирования микрорельефа поверхности и дислокационной структуры крупногабаритных

монокристаллов германия и парателлурита выращенных из расплава. Выбор объектов исследования обусловлен технической ценностью указанных материалов и имеющихся наработках получения их в виде крупногабаритных образцов методами выращивания из расплава.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Адаптировать методики селективного химического травления и наблюдения микроморфологии поверхностей применительно к объектам исследования - монокристаллам германия и парателлурита с различной кристаллографической ориентацией.

2. Исследовать зависимости между микрорельефом поверхности и распределением дислокаций в крупногабаритных монокристаллах германия и парателлурита, выращенных из расплава разными способами.

3. Провести кристалломорфологический анализ и индексацию граней кристаллов парателлурита с секториальным распределением структурных дефектов.

4. Апробировать методы интерференционной профилометрии и пьезооптического эффекта для выявления дислокаций в крупногабаритных монокристаллах германия и парателлурита.

Научная новизна

- Путём совместного комплексного применения методов селективного травления, оптической, растровой электронной микроскопии и интерференционной профилометрии получены новые данные о закономерностях формирования ростового микрорельефа и фигур химического травления поверхности крупногабаритных кристаллов германия и парателлурита.

- Исследована микроморфология свободных поверхностей кристаллов германия, выращенных методами вытягивания из расплава и направленной

кристаллизации. Выявлены и описаны устойчивые периодичности профиля ростовых поверхностей кристаллов обоих типов, связанные с изменениями кинетики кристаллизации. Для кристаллов, полученных методом направленной кристаллизации, двумерная картина распределения неровностей профиля является гексагональной и описывающей ступенчатый характер роста сингулярных граней {111} по тангенциальному механизму.

- Впервые предложено применение пьезооптического эффекта (фотоупругости) для неразрушающего контроля дислокационной структуры парателлурита поляризационно-оптическим методом, основанным на наблюдении в линейно поляризованном свете розеток механических напряжений вокруг выходов дислокаций на поверхность.

Комбинированными методами интерференционной профилометрии, оптической и электронной микроскопии обнаружено аномальное секториальное восьмиугольное распределение структурных дефектов (дислокаций, газовых пузырьков, примесей) в плоскостях, ортогональных оси вытягивания [110]. Указанные аномалии объяснены существованием ранее неизвестных сингулярных граней.

Практическая значимость

Практическая значимость разработанной в диссертации методологии комплексного применения оптической, электронной микроскопии и интерференционной профилометрии определяется широким и непрерывно расширяющимся применением оптических кристаллов в различных отраслях науки, техники и медицины.

Модифицированные методы избирательного химического травления монокристаллов германия и парателлурита, разработанные в диссертации, могут быть применены для контроля качества как крупногабаритных, так и

плёночных оптических элементов и заготовок, используемых в устройствах солнечной энергетики, тепловидения, оптоэлектроники и акустооптики. Уточненные данные о морфологии парателлурита и германия целесоообразно использовать для оптимизации ростовой технологии.

Методология и методы исследования

В работе была развита методология комплементарного применения различных методов и средств наблюдений макро-и микроморфологии оптических кристаллов, включающая оптическую просвечивающую и отражательную светлопольную, тёмнопольную и дифференциальную поляризационную микроскопию, интерференционную оптическую про филометрию, атомно-силовую микроскопию, растровую электронную микроскопию и электронно-зондовый микроанализ.

По результатам проведенных исследований разработаны новые методики подсчета плотности дислокаций и селективного травления.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Свободные плоские или цилиндрические ростовые поверхности

кристаллов, выращенных из расплава методом направленной

кристаллизации или вытянутых способом Чохральского, характеризуются устойчивыми бороздчатыми периодичностями профиля, отражающими колебания температуры на фронте кристаллизации. Для типовых условий выращивания для обоих видов кристаллов наиболее выражены периодичности двух различных временных и пространственных масштабов кристаллов.

2. Неровности профиля ростовых поверхностей коррелируют с областями повышенной плотности дислокаций в радиальных направлениях и вдоль оси вытягивания для кристаллов германия, полученных методами направленной кристаллизации и Чохральского соответственно.

3. Согласно данным кристалломорфологического анализа, кристаллы парателлурита, выращиваемые в направлении [110], обладают восемью типами выходов граней, характеризуемых индексами (101), (Ї0Ї), (101), (101),(lT0), (TlO)₇(IlS) и (113).

4. Распределение плотности структурных дефектов в поперечных срезах булей кристаллов парателлурита, выращиваемых в направлении [110], имеет секториальное строение с октаэдральной симметрией.

Достоверность результатовдиссертации обеспечивается проверкой теоретических положений экспериментальными исследованиями; применением современных методов исследования и обработки экспериментальных результатов; апробацией на международных и всероссийских конференциях; публикациями основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях; использованием результатов работы на практике.

Основное содержаниеработы опубликовано в 12 статьях во всероссийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях, включая 7 статей в журналах из списка ВАК.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на XII Региональных Каргинских чтениях, ТвГУ. 2005 ( Тверь); XII Национальной конференции по росту кристаллов Институт кристаллографии РАН 23-27 октября 2006. (Москва.); Международной конферении "Прикладная оптика - 2008", 20-24 октября 2008 г. (С.Петербург: Оптическое общество им. Д.С. Рождественского);. Конференция стран СНГ по росту кристаллов, 1-5 октября 2012 г. (Харьков); 1 Ith-International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures. August 20-24, 2012. Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia; Conference on Functional Materials and Nanotechnologies (FM&NT-2013),

April 24, 2013, Tartu, Estonia; Conference on Functional Materials and Nanotechnologies (RCBJSF - 2014 - FM&NT), October, 2014, Riga, Latvia; XXV Российской конференции по электронной микроскопии г.

Структура и объём диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 157 страниц основного текста, 77 рисунков, 3 таблицы, 191 наименование цитируемой литературы

Личный вклад автора

Диссертантом совместно с научным руководителем проводились выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов. Автором самостоятельно выполнены эксперименты по селективному травлению различных кристаллографических плоскостей кристаллов и получены снимки дислокационной структуры на МИМ-8 и JEOL 6610 LV, при личном участии автора проведы эксперименты по выявлению дислокаций в кристаллах парателлурита методом фотоупругости, проведены исследования на оптическом профилометре, получены данные по распределению дислокаций в кристаллах германия и парателлурита, проведены расчеты, обработаны полученные результаты.

Настоящая работа выполнена на кафедре прикладной физики Тверского государственного университета. Исследования дислокационной структуры кристаллов германия на просвечивающем электронном микроскопе проводились в центре коллективного пользования «Диагностики микро- и наноструктур» при Ярославском госуниверситетете.

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 14.577.21.0004, в плане исследования

дефектов структуры крупногабаритных кристаллов германия и Соглашение 14.574.21.0113, в плане исследования дислокационной структуры крупногабаритных кристаллов парателлурита), проектной части государственного задания №11.1937-2014/К.