Номер 2, страница 168 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Методы исследования структуры кристаллических тел.

1. Методы получения монокристаллов.

Монокристаллы — это твердые тела, представляющие собой один непрерывный кристалл, в отличие от поликристаллических тел, состоящих из множества мелких кристаллов (кристаллитов). Существует несколько основных групп методов получения монокристаллов, классифицируемых по фазовому состоянию исходного вещества.

Методы выращивания из расплава:

Эти методы основаны на контролируемом затвердевании (кристаллизации) расплавленного материала. Они широко используются в промышленности, особенно для полупроводниковых материалов.

• Метод Чохральского: Один из самых распространенных методов. В расплав материала опускают небольшой затравочный кристалл (затравку). Затем затравку медленно вытягивают вверх, одновременно вращая ее. Расплав намерзает на затравке, повторяя ее кристаллическую структуру, в результате чего формируется большой цилиндрический монокристалл (слиток). Метод используется для получения монокристаллов кремния, германия, арсенида галлия и др.

• Метод Бриджмена-Стокбаргера: Контейнер (тигель) с расплавленным веществом медленно перемещается через зону с градиентом температур. Кристаллизация начинается в самой холодной части тигля (часто там помещают затравку) и постепенно распространяется по всему объему по мере продвижения тигля в более холодную область. Этот метод может быть реализован как в вертикальном, так и в горизонтальном варианте.

• Зонная плавка (бестигельная зонная перекристаллизация): Узкая расплавленная зона создается с помощью индукционного нагревателя и перемещается вдоль длинного стержня из поликристаллического материала. Примеси, как правило, лучше растворяются в жидкой фазе, чем в твердой, поэтому они концентрируются в расплавленной зоне и перемещаются вместе с ней к одному из концов стержня. Этот процесс не только очищает материал, но и позволяет вырастить монокристалл, если на начальном конце стержня была затравка. Метод особенно важен для получения сверхчистого кремния.

• Метод Вернейля: Мелкодисперсный порошок исходного вещества подается через пламя высокотемпературной горелки (например, кислородно-водородной). Частицы порошка плавятся в пламени и падают на затравку, где они кристаллизуются, постепенно наращивая монокристалл (булю). Исторически это был первый коммерческий метод получения синтетических драгоценных камней, таких как рубины и сапфиры.

Методы выращивания из раствора:

Кристаллы выращивают из пересыщенного раствора при температурах ниже точки плавления вещества.

• Медленное испарение растворителя или медленное охлаждение раствора: Создается насыщенный раствор вещества при определенной температуре. Затем либо медленно испаряют растворитель, либо медленно понижают температуру системы. В обоих случаях растворимость вещества уменьшается, раствор становится пересыщенным, и избыток вещества выделяется в виде кристаллов. Метод прост в реализации и часто используется в лабораторных условиях.

• Гидротермальный синтез: Кристаллизация происходит из водных растворов при высоких температурах (свыше 100 °C) и высоких давлениях. Этот метод имитирует природные процессы образования минералов. Он используется для выращивания кристаллов, которые разлагаются при плавлении или имеют низкую растворимость в обычных условиях, например, для синтетического кварца.

Методы выращивания из газовой (паровой) фазы:

В этих методах вещество переносится в виде пара и конденсируется на подложке, образуя монокристаллическую пленку или объемный кристалл.

• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD): На нагретую подложку подается газовая смесь, содержащая летучие соединения нужных элементов. В результате химических реакций на поверхности подложки происходит осаждение твердого вещества в виде кристаллической пленки. Варьируя условия, можно получать монокристаллические слои (эпитаксия).

• Физическое осаждение из газовой фазы (PVD): Исходное вещество испаряется (сублимируется) в вакууме, и его пары конденсируются на более холодной подложке. Этот метод включает сублимацию и молекулярно-пучковую эпитаксию.

• Молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE): Проводится в условиях сверхвысокого вакуума. Потоки атомов или молекул (молекулярные пучки) из различных источников направляются на нагретую монокристаллическую подложку. Этот метод позволяет с атомарной точностью контролировать рост кристаллических слоев и создавать сложные гетероструктуры, что критически важно для современной электроники и оптоэлектроники.

Ответ: Основные методы получения монокристаллов делятся на три группы: выращивание из расплава (методы Чохральского, Бриджмена, зонная плавка, метод Вернейля), выращивание из раствора (медленное охлаждение/испарение, гидротермальный синтез) и выращивание из газовой фазы (химическое и физическое осаждение, молекулярно-пучковая эпитаксия). Выбор метода зависит от физико-химических свойств вещества и требуемого качества кристалла.

2. Методы исследования структуры кристаллических тел.

Исследование структуры кристаллических тел направлено на определение взаимного расположения атомов, ионов или молекул в кристаллической решетке, а также на изучение дефектов этой решетки. Основные методы можно разделить на дифракционные и микроскопические.

Дифракционные методы:

Эти методы основаны на явлении дифракции (рассеяния) волн на периодической структуре кристалла. Когда длина волны падающего излучения сопоставима с межплоскостными расстояниями в кристалле (порядка ангстрем, $10^{-10}$ м), наблюдается интерференционная картина, по которой можно восстановить структуру решетки. Условие возникновения дифракционного максимума описывается законом Вульфа-Брэгга:

$2d_{hkl} \sin\theta = n\lambda$

где $d_{hkl}$ — межплоскостное расстояние для семейства плоскостей с индексами Миллера $(hkl)$, $\theta$ — угол скольжения (угол между падающим лучом и кристаллографической плоскостью), $\lambda$ — длина волны излучения, а $\text{n}$ — целое число, называемое порядком дифракции.

• Рентгеноструктурный анализ (РСА): Наиболее распространенный дифракционный метод. Использует рентгеновские лучи. Существуют различные методики РСА:

– Метод Лауэ: На неподвижный монокристалл направляется пучок рентгеновского излучения с непрерывным спектром. Каждая система плоскостей "выбирает" из спектра ту длину волны, для которой выполняется условие Брэгга. Метод позволяет быстро определить симметрию и ориентацию кристалла.

– Метод вращающегося кристалла: Монокристалл вращается в монохроматическом пучке. В процессе вращения различные плоскости поочередно оказываются в отражающем положении.

– Метод порошка (метод Дебая-Шеррера): Исследуется поликристаллический образец (порошок). Из-за хаотичной ориентации кристаллитов всегда найдутся такие, которые удовлетворяют условию Брэгга для каждой возможной системы плоскостей. Дифракционная картина представляет собой набор концентрических колец (на пленке) или пиков (на дифрактограмме). Метод используется для определения фазового состава вещества и параметров элементарной ячейки.

• Нейтронография (дифракция нейтронов): В качестве зондирующего излучения используется пучок тепловых нейтронов. Нейтроны рассеиваются на ядрах атомов, а не на электронных оболочках. Это позволяет: 1) эффективно определять положение легких атомов (например, водорода) в присутствии тяжелых; 2) различать изотопы одного элемента; 3) изучать магнитную структуру кристаллов, так как нейтрон обладает магнитным моментом и взаимодействует с магнитными моментами атомов.

• Электронография (дифракция электронов): Используется пучок электронов, ускоренных до высоких энергий. Электроны интенсивно взаимодействуют с веществом, поэтому метод очень чувствителен к структуре поверхностных слоев и тонких пленок. Электронографию часто реализуют в просвечивающих электронных микроскопах.

Микроскопические методы:

Эти методы позволяют получать прямое изображение атомной структуры поверхности или объема образца.

• Просвечивающая (трансмиссионная) электронная микроскопия (ПЭМ, TEM): Пучок электронов проходит сквозь очень тонкий образец (толщиной в десятки-сотни нанометров). Прошедшие электроны фокусируются системой магнитных линз и создают увеличенное изображение на экране. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР, HRTEM) позволяет получать изображения, на которых видны отдельные атомные колонки, что дает возможность напрямую изучать кристаллическую структуру, дефекты решетки (дислокации, границы зерен) и наночастицы.

• Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (СЭМ, SEM): Сфокусированный электронный пучок сканирует поверхность образца. Взаимодействие пучка с веществом генерирует различные сигналы (вторичные электроны, обратно рассеянные электроны, характеристическое рентгеновское излучение), которые собираются детекторами. Анализ этих сигналов позволяет получить информацию о морфологии, топографии и элементном составе поверхности с высоким пространственным разрешением, но обычно не с атомарным.

• Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ, SPM): Семейство методов, основанных на сканировании поверхности образца миниатюрным зондом.

– Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ, STM): Острая проводящая игла подводится к проводящей поверхности на расстояние порядка нескольких ангстрем. При подаче напряжения между иглой и образцом возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния. Сканируя поверхность и поддерживая ток постоянным с помощью системы обратной связи, получают карту рельефа поверхности с атомарным разрешением.

– Атомно-силовая микроскопия (АСМ, AFM): Острый зонд, закрепленный на упругой консоли (кантилевере), сканирует поверхность. Силы межатомного взаимодействия между зондом и поверхностью вызывают изгиб кантилевера, который регистрируется с высокой точностью (обычно с помощью лазерного луча). Метод позволяет получать трехмерное изображение рельефа поверхности с нанометровым и даже атомарным разрешением и, в отличие от СТМ, применим к любым материалам, включая диэлектрики.

Ответ: Для исследования структуры кристаллических тел применяют дифракционные методы (рентгеноструктурный анализ, нейтронография, электронография), основанные на анализе рассеяния волн на кристаллической решетке согласно закону Брэгга, и микроскопические методы (просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия), позволяющие получать прямое изображение атомной структуры и морфологии поверхности.