Номер 1, страница 168 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Методы получения монокристаллов.

Монокристаллы — это твердые тела, кристаллическая решетка которых непрерывна и не имеет границ зерен по всему объему. Для их получения используются различные методы, которые можно классифицировать по агрегатному состоянию исходного вещества: выращивание из расплава, из раствора и из газовой фазы.

Методы выращивания из расплава

Метод Чохральского

Это один из наиболее распространенных промышленных методов. Исходное поликристаллическое вещество (например, кремний) расплавляется в тигле при высокой температуре. В поверхность расплава погружают небольшой монокристалл-затравку, закрепленный на держателе. Затравку медленно вытягивают вверх, одновременно вращая ее. Расплав, смачивая затравку, нарастает на ней и кристаллизуется, повторяя ее структуру. Постепенно формируется большой цилиндрический монокристалл (буля). Контролируя скорость вытягивания, скорость вращения и температуру, получают кристаллы нужного диаметра и высокого совершенства. Этот метод широко используется для производства монокристаллов кремния ($\text{Si}$), германия ($\text{Ge}$) и арсенида галлия ($GaAs$).

Ответ: Метод Чохральского — это метод выращивания монокристалла путем его вытягивания из расплава с помощью затравочного кристалла, который медленно поднимается и вращается.

Метод Бриджмена-Стокбаргера

Данный метод основан на принципе направленной кристаллизации. Исходный материал помещается в герметичный контейнер (ампулу), часто с заостренным концом для инициирования роста единственного кристалла. Ампулу перемещают через печь, имеющую градиент температуры — от горячей зоны, где материал полностью плавится, к холодной зоне. Кристаллизация начинается в самой холодной точке (в заостренном конце) и фронт кристаллизации постепенно перемещается вдоль всей ампулы по мере ее прохождения через градиентную зону. Метод может быть реализован как в вертикальном, так и в горизонтальном вариантах. Он применяется для выращивания многих полупроводниковых соединений (например, $CdTe$) и оптических материалов.

Ответ: Метод Бриджмена-Стокбаргера заключается в направленной кристаллизации расплава в контейнере, который перемещается через печь с заданным температурным градиентом.

Метод зонной плавки

Этот метод применяется как для выращивания, так и для глубокой очистки кристаллов. Вертикально установленный поликристаллический стержень материала плавится в узкой зоне с помощью кольцевого нагревателя (чаще всего индукционного). Эта расплавленная зона медленно перемещается вдоль стержня от одного конца к другому. Примеси, как правило, лучше растворяются в жидкой фазе, чем в твердой, поэтому они концентрируются в расплавленной зоне и перемещаются вместе с ней к концу стержня. За движущейся зоной происходит рекристаллизация материала в монокристаллическую структуру, ориентированную по затравке, если она используется. Поскольку расплав удерживается силами поверхностного натяжения и не контактирует с тиглем, метод позволяет получать особо чистые монокристаллы, например, кремния для силовой электроники.

Ответ: Метод зонной плавки основан на перемещении узкой расплавленной зоны вдоль твердого стержня, что приводит к росту монокристалла и его одновременной очистке от примесей.

Методы выращивания из раствора

Метод медленного охлаждения/испарения

Этот метод подходит для веществ, хорошо растворимых в воде или других растворителях. Сначала готовят насыщенный раствор при повышенной температуре. Затем создают условия для кристаллизации, вызывая пересыщение раствора. Этого можно достичь либо путем медленного и контролируемого понижения температуры (если растворимость вещества падает с температурой), либо путем медленного испарения растворителя при постоянной температуре. В пересыщенный раствор помещают затравку, на которой и происходит рост граненого кристалла. Метод используется для выращивания кристаллов многих солей, например, дигидрофосфата калия ($KDP$).

Ответ: Методы выращивания из раствора основаны на создании пересыщения в растворе путем его медленного охлаждения или испарения растворителя, что инициирует рост кристалла на затравке.

Гидротермальный метод

Метод воспроизводит природные процессы образования минералов и используется для веществ, практически нерастворимых в обычных условиях. Процесс ведут в автоклавах — толстостенных стальных сосудах, выдерживающих высокие температуры (до 500°C) и давления (сотни и тысячи атмосфер). В нижней, более горячей части автоклава, находится исходное сырье (шихта), которое растворяется в воде или водном растворе минерализатора. За счет естественной конвекции насыщенный раствор поднимается в верхнюю, более холодную зону автоклава, где размещены затравочные пластины. В этой зоне раствор становится пересыщенным, и вещество кристаллизуется на затравках. Этим методом в промышленных масштабах выращивают искусственный кварц ($SiO_2$).

Ответ: Гидротермальный метод — это выращивание кристаллов из водных растворов при высоких температурах и давлениях за счет переноса вещества из горячей зоны растворения в более холодную зону кристаллизации.

Методы выращивания из газовой фазы

Метод сублимации-конденсации (физическое осаждение из газовой фазы)

В этом методе твердое исходное вещество нагревают в вакууме или инертной атмосфере до температуры, при которой оно начинает интенсивно испаряться (сублимировать). Пары вещества переносятся в более холодную область реактора, где они конденсируются на подложке, образуя монокристалл или монокристаллическую пленку. Движущей силой процесса является разность температур (и, соответственно, давлений насыщенного пара) между источником и подложкой. Метод используется для получения кристаллов карбида кремния ($SiC$), сульфида кадмия ($CdS$).

Ответ: Метод сублимации-конденсации заключается в испарении (сублимации) твердого вещества с последующей его конденсацией в виде кристалла на более холодной подложке.

Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD)

Рост кристалла в этом методе происходит в результате химических реакций на поверхности горячей подложки. В реакционную камеру подаются газообразные реагенты (прекурсоры). Нагретая подложка-затравка катализирует разложение этих газов или их реакцию между собой. Один из продуктов реакции — необходимое твердое вещество — осаждается на подложке, эпитаксиально наращивая ее и формируя монокристаллический слой. Газообразные побочные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя. Метод широко применяется для получения тонких монокристаллических пленок полупроводников (кремния, соединений $A^{III}B^{V}$), а также для синтеза искусственных алмазов и нитрида галлия ($GaN$).

Ответ: Метод химического осаждения из газовой фазы основан на росте кристалла в результате химических реакций газообразных реагентов на поверхности нагретой подложки.