3.15 Отримання кристалів із розплавів. Метод Чохральского

Метод Чохральского — это метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Может использоваться для выращивания кристаллов элементов и устойчивых при температурах плавления-кристаллизации химических соединений. Метод наиболее известен применительно к выращиванию монокристаллического кремния.

Кристаллизация происходит при охлаждении ниже точки насыщения. Достоинства метода: кристаллизацию можно проводить значительно ниже температуры плавления получаемого материала.

Введение в расплав затравки	При опред T° и с опред t(c) вращение и вытаскивание затравки из расплава

Недостатки: загрязнение элементами флюса, необходимость в очень точном регулировании температуры, использование дорогостоящих платиновых и др. материалов тиглей.

3.16 Кристаллизационные процессы

К ристаллизация- переход в-ва из жидкого в твердое кристаллич. состояние. Для постановки процессов кристаллизационной очистки в-ва необходимо знание фазовых диаграмм.

ТР - твердый раствор

S – линия Солидуса

L – линия Ликвидуса

Фазовая диаграмма характерезует состояние вещества с присущим в нем примесями в зависимости от температуры.

Рис.1 диаграмма состояния непрерывных жидких и твердых р-ров

Рис.2 эвтектическая диаграмма состояний с областями р-ров α и β.

Рис.3 дистектическая диаграмма состояния с областями твердых р-ров

α + β – твердые р-ры, α- только А р-р, β-только В р-р

Пусть у нас расплав компонента А с концентрацией приесей В, равной С₀ при температуре Т_о. Иходное состояние системы характерезуется фигуративной точкой 1. При снижении температуры фигуративная точка вычерчивает вертикальную траекторию. 2 отмечает место пересечения вертикальной линии с линией салидуса, определяет температуру начала кристаллизации твердого р-ра. При этой температуре образуется твердая фаза состава С_2Т, определяемого местом пересечениятемпературы начала кристаллизации задаваемой 2 с линией салидуса. При дальнейшем понижении температуры вплоть до пересечения с линией салидуса состояния системы характерезуется двумя точками. Это отвечает одновременному наличию в сис-ме двух находящихся между собой в

Равновесии фаз. Одна из точек расположена на кривой салидуса и дает состав тв. фазы, другая точка- на кривой L и дает состав жидкой фазы.

При достижении температуры соответствующей точки 4 жидкая фаза полностью исчезнет, сис-ма опять станет однофазной, а состав тв. фазы должен совпадать с исходным составом жидкости С_0.приведенное рассмотрение показывает,что закристаллизовавшийся слиток должен иметь состав, равный исходному. Соответственно не должно быть закономерных неоднородностей состава в кристаллизирующем материале,однако на самом деле такие неоднородности всегда возникают. В реальной сис-ме равновесие, отвечающее новым внешним условиям (темп.) устанавливается с помощью процессов диффузии компонентов в жидкой и тв. фазе. Коэфициенты диффузии в жидк. фазе на несколько порядков больше, чем в кристалле. Практически диффузи в кристалле идет настолько медленно, что в реальных условияхпосле понижения темп. и кристаллизации некоторого колич. в-ва процесс перехода к равновесному состоянию останавливается.

А тв. фаза остается в неравновесных условиях. Таким образом процесс кристаллизации показывает, что тв. фаза кристаллизуется неоднородно по своему объему. Получающийся при этом кристалл представляет собой гамму твердых р-ров с непрерывно меняющейся концентрацией примеси. Это явление наз. сегрегацией.

В реальных условиях выращивания кри-ов граница раздела фаз передвигается со скоростью от 1/100 долей до десятков мм/с. По сравнению с этими скоростями скорость диффузионного перемещения компонентов внутри твердой фазы пренебрежимо мала.

Кроме того при выращивании кристаллов создают такие градиенты темп.-р, при кот. Нарастающие слои крис-ла быстро попадают в область пониженных темп-р, где диф-оные процессы еще более замедленны. Это способствует фиксации неоднородности состава, возникающей в однородной фазе и очистке и разделению материала при крист-ции.

3.17 Процеси розділення, та очистки. Адсорбційні процеси.

АДСО́РБЦИЯ, поглощение какого-либо вещества (адсорбата) из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом). Различают два вида адсорбции: физическую и химическую. Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. Существенное отличие физической адсорбции — ее обратимость. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.

Я вление адсорбции связано с тем, что силы межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз нескомпенсированы, и, следовательно, пограничный слой обладает избытком энергии – свободной поверхностной энергией. В результате притяжения поверхностью раздела фаз находящихся вблизи нее молекул адсорбата свободная поверхностная энергия уменьшается, т.е. процессы адсорбции энергетически выгодны. Адсорбция всегда является экзотермическим процессом, т. е. протекает с выделением теплоты адсорбции Hs.

Процесс адсорбции заканчивается установлением адсорбционного равновесия между адсорбентом и адсорбатом. Условием равновесия является равенство химических потенциалов обеих фаз.