В настоящее время без единого кристалла невозможно изучить структуру и свойства металлов и сплавов, механизмы пластической деформации и разрушения, а также исследовать природу межатомных связей в металлах, сплавах и соединениях.
Для изучения топологии поверхности Ферми необходимо изготовить монокристаллы металла высокой чистоты и цельные.
Используя монокристаллические материалы высокой чистоты, вы можете обнаружить новые свойства, которых нет у аналогичных поликристаллических объектов.
Сегодня монокристаллы металлов, сплавов и соединений являются не только уникальными объектами исследований в области физики твердого тела, но и в некоторых случаях являются актуальными материалами новых технологий, уже находящихся в практическом использовании.
Искусственное приобретение первого металлического монокристалла знаменует собой начало 20-го века. Это монокристаллы металлов с низкой температурой плавления, и их применение было сразу же найдено объектом фундаментальных исследований.
Однако, в отличие от полупроводниковых монокристаллов, металлические монокристаллы долгое время не находили технического применения. Это началось в 1960-х годах, когда был проведен синтез достаточно крупных и высокочистых монокристаллов тугоплавких металлов.
Роль металлических монокристаллов в науке и технике постоянно возрастает.
В то же время возрастают требования к чистоте, структурной целостности и форме выращенных монокристаллов.
Глубокая очистка от примесей и приобретение монокристаллов — это способ создания материалов с заданными свойствами наряду с легированием. Следует подчеркнуть, что проблема получения металлического монокристалла и его глубокой очистки тесно связаны. Существует прямая связь между полнотой монокристалла и уровнем содержащихся в нем примесей.
Основные методы очистки металлов от примесей:
Гидрометаллургический процесс.
- обмен ионами;
- диссоциация галлоидных соединений;
- жидкостная экстракция;
- электролиз;
- сублимации;
- осаждение;
- вакуумная плавка.
Эффективность каждого из этих методов зависит от физико-химических свойств основного металла и примесей, которые он содержит.
В настоящее время существует около 150 способов получения монокристаллов из паров, жидкостей (расплавов и растворов) и твердых фаз.
Несмотря на разнообразие, существующие способы получения металлических монокристаллов из жидкой фазы можно разделить на четыре группы.
- Монокристалл образуется из расплава в тигле и медленно движется вместе с расплавом из горячей зоны печи через холодную диафрагму (метод Бриджмена-Стокбаргера).
- Кристаллизация путем удаления части расплава из тигля с использованием затравки (методы Чохральского и Степанова — вытягивание профилированного монокристалла из расплава через диафрагму).
- Зона плавления, предложенная Пфаном. Метод кристаллизации из расплава металла (зона плавления с градиентом температуры) близка к зоне плавления.
- Формирование монокристалла путем осаждения металла или другого материала на торце семени, движущегося вниз (метод Вернейла).
Методы Бриджмена-Стокбаргера и Чохральского в основном используются для выращивания монокристаллов тугоплавких металлов с низким и средним содержанием тугоплавких металлов (Tm не превышает 1500 ° С).
Была предпринята попытка получить монокристалл тугоплавкого металла методом Чохральского с нагревом электронным пучком.
Однако сложность конструкции и соответствующая сложность в эксплуатации оборудования затрудняют применение этого метода к тугоплавким металлам.
Метод зонной плавки Pfanna эффективно используется для получения монокристаллов металла в широком диапазоне температур плавления.
Смотрите также:
Примеры решения задач по материаловедению
