Дослідження механізмів процесу росту кристалів (модель Косселя)

Автор(и)

  • Sergey Artemev Національний університет цивільного захисту України, вул. Чернишевська, 94, м. Харків, Україна, 61000, Україна https://orcid.org/0000-0002-9086-2856

DOI:

https://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.132963

Ключові слова:

механізми зростання, пошаровий механізм, нормальний механізм, модель Косселя

Анотація

Обʼєктом даного дослідження є механізми процесів росту кристалів. В якості моделі дослідження взято плоскогранний кристал у формі кубиків. Досліджено два механізми росту кристалів. При першому механізмі в процесі росту кристалу зростаюча поверхня рухається за рахунок бічного переміщення ступенів, при другому відбувається безперервний потік уздовж нормалі до поверхні кристала. Проблемним питанням під час вирощування кристалів зазначеними механізмами з розплаву є збереження чистоти самого металу, особливо якщо він знаходиться у розплавленому стані. Показано, що під час застосування «пошарового» механізму росту кристалів проблемним моментом є процес утворення двовимірних «зародків». Даний процес досить чутливий до пересичення, і ймовірність його проведення при показниках нижче 45–50 % досить мала. В ході досліджень були використані методи статистичного аналізу для визначення позитивних і негативних сторін використання механізмів росту кристалів, аналізу результатів досліджень для визначення динаміки використання того чи іншого механізму вирощування кристалів. Застосовувався гипотетико-дедуктивний метод в процесі ознайомлення фактичного матеріалу досліджень в області росту кристалів, які додатково вимагають поглибленого аналізу джерел інформації. Використовувався також метод узагальнення результатів для встановлення загальних властивостей і тенденцій, характерних досліджуваним механізмам росту кристалів. Обґрунтовано, що за недотримання теплових умов проведення обох процесів складно домогтися потрібної орієнтації і конфігурації кристалів. Показано, що «нормальний» механізм росту кристалів ефективний за дотримання умови того, що на поверхні має бути досить багато «енергетично вигідних» місць закріплення атомів, що не завжди може виконуватися.

Біографія автора

Sergey Artemev, Національний університет цивільного захисту України, вул. Чернишевська, 94, м. Харків, Україна, 61000

Кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра охорони праці та техногенно-екологічної безпеки

Посилання

  1. Gow, K. V., Chalmers, B. (1951). The preparation of high melting point metal single crystals and bicrystals with pre-determined crystallographic orientation. British Journal of Applied Physics, 2 (10), 300–303. doi: http://dx.doi.org/10.1088/0508-3443/2/10/305
  2. Hurle, D. T. J. (1966). Temperature oscillations in molten metals and their relationship to growth striae in melt-grown crystals. Philosophical Magazine, 13 (122), 305–310. doi: http://dx.doi.org/10.1080/14786436608212608
  3. Utech, H. P., Flemings, M. C. (1966). Elimination of Solute Banding in Indium Antimonide Crystals by Growth in a Magnetic Field. Journal of Applied Physics, 37 (5), 2021–2024. doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.1708664
  4. Nacken, R., Neues, J. B. (1915). Uber das Wachstum von Kristallpolyedern in ihrem Schmelzfluß. Mineralog. Geol. Palaontol. Ref. Teil., 2, 133–164.
  5. Kyropoulos, S. (1926). Ein Verfahren zur Herstellung großer Kristalle. Zeitschrift Für Anorganische Und Allgemeine Chemie, 154 (1), 308–313. doi: http://dx.doi.org/10.1002/zaac.19261540129
  6. Czochralski, J. (1918). Ein neues Verfahren zur Messung des Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 92, 219.
  7. Sworn, C. H., Brown, T. E. (1972). The growth of dislocation-free copper crystals. Journal of Crystal Growth, 15 (3), 195–203. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-0248(72)90119-4
  8. Howe, S., Elbaum, C. (1961). The occurrence of dislocations in crystals grown from themelt. Philosophical Magazine, 6 (70), 1227–1240. doi: http://dx.doi.org/10.1080/14786436108243373
  9. Hukin, D. A. (1972, 04 June). Improvements in or relating to crucibles. Available at: https://patents.google.com/patent/GB1269762A/en?oq=GB1269762A
  10. Carlson, O. N., Schmidt, F. A., Peterson, D. T. (1966). Electrotransport of interstitial atoms in yttrium. Journal of the Less Common Metals, 10 (1), 1–11. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-5088(66)90038-5
  11. Schmidt, F. A., Warner, J. C. (1967). Electrotransport of carbon, nitrogen and oxygen in vanadium. Journal of the Less Common Metals, 13 (5), 493–500. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-5088(67)90084-7
  12. Peterson, D. T., Schmidt, F. A. (1969). Electrotransport of carbon, nitrogen and oxygen in lutetium. Journal of the Less Common Metals, 18 (2), 111–116. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-5088(69)90129-5
  13. Peterson, D. T., Schmidt, F. A. (1971). Preparation of high purity thorium and thorium single crystals. Journal of the Less Common Metals, 24 (2), 223–228. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-5088(71)90099-3
  14. Bradley, A. J. (1925). CX. The allotropy of manganese. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 50 (299), 1018–1030. doi: http://dx.doi.org/10.1080/14786442508628546
  15. Mills, D., Craig, G. (1966). Etching dislocations in zirconium. Journal of Electrochemical Technology, 4, 300.
  16. Field, W. G., Wagner, R. W. (1968). Thermal imaging for single crystal growth and its application to ruby. Journal of Crystal Growth, 3–4, 799–803. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-0248(68)90270-4
  17. Drabble, J. R. (1968). The arc transfer process of crystal growth. Journal of Crystal Growth, 3–4, 804–807. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-0248(68)90271-6
  18. Gasson, D. B., Cockayne, B. (1970). Oxide crystal growth using gas lasers. Journal of Materials Science, 5 (2), 100–104. doi: http://dx.doi.org/10.1007/bf00554627
  19. Precht, W., Hollox, G. E. (1968). A floating zone technique for the growth of carbide single crystals. Journal of Crystal Growth, 3–4, 818–823. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-0248(68)90274-1
  20. Siegel, R. W., Hahn, H. (1987). Nanjphase materials. Current Trends in Physics of materials. Singapore: World Sci. Publ. Co, 403–420.
  21. Siegel, R. W. (1994). What do we really know about the atomic-scale structures of nanophase materials? Journal of Physics and Chemistry of Solids, 55 (10), 1097–1106. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0022-3697(94)90127-9
  22. Nitevidnye kristally. (1975). Nitevidnye kristally i tonkie plenki. Voronezh: VPI, 466.
  23. Nitevidnye kristally dlya novoy tekhniki. (1979). Voronezh: VPI, 231.
  24. Part 1. Nitevidnye kristally. (1970). Nitevidnye kristally i neferromagnitnye plenki. Voronezh: VPI, 287.
  25. Part 2. Tonkie plenki. (1970). Nitevidnye kristally i neferromagnitnye plenki. Voronezh: VPI, 300.
  26. Artemev, S. R. (2015). Present concepts of non-traditional methods of growing of metal whisker crystals. Pulling of whiskers from solution. Technology Audit and Production Reserves, 3 (4 (23)), 8–12. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2015.42409
  27. Artemev, S. R. (2015). Current concepts of non-traditional methods of cultivation metal whisker crystals. Pulling whisker pole from melt. Technology Audit and Production Reserves, 2 (4 (22)), 16–19. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2015.40499
  28. Artemev, S. R. (2014). Study of whiskers’ mechanical properties. creep and internal friction. Technology Audit and Production Reserves, 5 (3 (19)), 16–18. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2014.27909
  29. Artemev, S. R. (2016). Analysis of existent concepts of traditional methods of metal whiskers growing. Deposition of substance from the gas phase. Technology Audit and Production Reserves, 3 (3 (29)), 34–37. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2016.70512
  30. Artemev, S. R. (2013). Properties of whiskers. mechanical strength test. Technology Audit and Production Reserves, 6 (1 (14)), 4–7. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2013.19533
  31. Artemev, S. R., Andronov, V. A., Semkiv, O. M. (2013). Mechanical properties of whiskers. Technology Audit and Production Reserves, 5 (1 (13)), 42–44. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2013.18393
  32. Artemev, S. R., Shaporev, V. P., Tsymbal, B. M. (2018). Investigation of methods of obtaining whiskers in composite material. Technology Audit and Production Reserves, 1 (3 (39)), 8–14. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2018.124287
  33. Artemev, S. R., Belan, S. V. (2013). Properties and basic methods of receipt of threadlike crystals. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (1 (65)), 22–26. Available at: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/18160
  34. Artemev, S. R. (2015). Existing notions of conventional breeding metal whiskers, their analysis. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (1 (73)), 17–23. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.36435
  35. Nomeri, M. A. Kh. (2011). Poluchenie i issledovanie opticheskikh svoystv poluprovodnikovykh oksidov ZnO2 i Zn2O3. Voronezh, 128.
  36. Tamman, G. (1922). Die Aggregatzustande. Leipzig, 294.
  37. Turnbull, D., Fisher, J. C. (1949). Rate of Nucleation in Condensed Systems. The Journal of Chemical Physics, 17 (1), 71–73. doi: http://doi.org/10.1063/1.1747055
  38. Honigmann, B. (1958). Gleichgewichts and Wachstumsformen von Kristallen. Dresden. doi: http://doi.org/10.1007/978-3-642-45791-3
  39. Reynolds, D. S.; Gillman, J. J. (Ed.). (1963). The art and Sciense of Growing Crystals. New York: Wiley, 493.
  40. Ewald, A. W., Tufte, O. N. (1958). Gray Tin Single Crystals. Journal of Applied Physics, 29 (7), 1007–1009. doi: http://doi.org/10.1063/1.1723351
  41. Weinstein, M., Mlavsky, A. I. (1964). Growth of GaP Crystals and p‐n Junctions by a Traveling Solvent Method. Journal of Applied Physics, 35 (6), 1892–1894. doi: http://doi.org/10.1063/1.1713764
  42. Wolff, G. A., LaBelle, H. E., Das, B. N. (1968). Solution growth of (Zn, Hg) Te and Ga (P, As) crystals. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 242, 436–441.
  43. Griffiths, L. B., Mlavsky, A. I. (1964). Growth of α-SiC Single Crystals from Chromium Solution. Journal of The Electrochemical Society, 111 (7), 805. doi: http://doi.org/10.1149/1.2426257
  44. Cirlin, G. E., Dubrovskii, V. G., Sibirev, N. V., Soshnikov, I. P., Samsonenko, Y. B., Tonkikh, A. A., Ustinov, V. M. (2005). The diffusion mechanism in the formation of GaAs and AlGaAs nanowhiskers during the process of molecular-beam epitaxy. Semiconductors, 39 (5), 557–564. doi: https://doi.org/10.1134/1.1923565
  45. Dubrovskii, V. G., Sibirev, N. V., Cirlin, G. E. (2004). Kinetic model of the growth of nanodimensional whiskers by the vapor-liquid-crystal mechanism. Technical Physics Letters, 30 (8), 682–686. doi: https://doi.org/10.1134/1.1792313
  46. Dubrovskii, V. G., Sibirev, N. V. (2004). Growth rate of a crystal facet of arbitrary size and growth kinetics of vertical nanowires. Physical Review E, 70 (3). doi: http://doi.org/10.1103/physreve.70.031604
  47. Tonkikh, A. A., Cirlin, G. E., Samsonenko, Y. B., Soshnikov, I. P., Ustinov, V. M. (2004). Properties of GaAs nanowhiskers grown on a GaAs(111)B surface using a combined technique. Semiconductors, 38 (10), 1217–1220. doi: https://doi.org/10.1134/1.1808832
  48. Schubert, L., Werner, P., Zakharov, N. D., Gerth, G., Kolb, F. M., Long, L. et al. (2004). Silicon nanowhiskers grown on 〈111〉Si substrates by molecular-beam epitaxy. Applied Physics Letters, 84 (24), 4968–4970. doi: http://doi.org/10.1063/1.1762701
  49. Tretyakov, Y. D., Goodilin, E. A., Peryshkov, D. V., Itkis, D. M. (2004). Structural and microstructural features of functional materials based on cuprates and manganites. Russian Chemical Reviews, 73 (9), 881–898. doi: https://doi.org/10.1070/rc2004v073n09abeh000920
  50. Grigorieva, A. V., Goodilin, E. A., Givargizov, E. I., Tretyakov, Y. D. (2004). Crystallization of amino acids on substrates with superficial chiral reliefs. Mendeleev Communications, 14 (4), 150–152. doi: http://doi.org/10.1070/mc2004v014n04abeh001961
  51. Peryshkov, D. V., Grigorieva, A. V., Semenenko, D. A., Gudilin, E. A., Volkov, V. V., Dembo, K. A. et al. (2006). Vliyanie predystorii polucheniya na uporyadochenie strukturnykh elementov kserogeley pentoksida vanadiya. DAN Khimiya, 406 (2), 203–208.
  52. Goodilin, E. A., Pomerantseva, E. A., Krivetsky, V. V., Itkis, D. M., Hester, J., Tretyakov, Y. D. (2005). A simple method of growth and lithiation of Ba6Mn24O48 whiskers. Journal of Materials Chemistry, 15 (16), 1614. doi: http://doi.org/10.1039/b416512h
  53. Shaporev, V. P., Sebko, V. V., Shestopalov, A. V. (2014). Tekhnologicheskie zakonomernosti protsessov, kotorye lezhat v osnove massovogo proizvodstva viskerov neorganicheskikh tugoplavkikh soedineniy. Vestnik NTU «KhPI». Seriya: khimiya, khimicheskaya tekhnologiya i ekologiya, 27, 114–142.
  54. Shaporev, V. P., Pitak, I. V., Shestopalov, A. V. (2014). Tekhnologicheskie zakonomernosti protsessov obrazovaniya i rosta nitevidnykh kristallov neorganicheskikh soedineniy iz rastvor-rasplavov. Vestnik Kremenchugskogo natsional'nogo universiteta imeni M. Ostrogradskogo, 3, 25–29.
  55. Shaporev, V. P., Pitak, I. V., Shestopalov, A. V. (2015). K voprosu ob organizatsii potochnogo proizvodstva nitevidnykh kristallov tugoplavkikh neorganicheskikh soedineniy metodom kristallizatsii iz rastvor-rasplavov na osnove galoidov shhelochnykh metallov. Zhurnal integrirovannykh tekhnologiy i energosberezheniya, 1, 47–60. Available at: http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/28545/1/ITE_2015_1_Shaporev_K_voprosu.pdf
  56. Givargizov, E. I. (1976). Rost nitevidnykh i plastinchatykh kristallov iz para. Moscow: Gosizdat, 192.
  57. Givargizov, E. I. (1981). Teoriya rosta i metody vyrashhivaniya kristallov. Moscow: Mir, 220.
  58. Spiridonov, E. M. (1995). Geneticheskaya mineralogiya. Ontogeniya. Rost kristallov. MGU im. M. Lomonosova. NII Mekhaniki, 166.
  59. Falckenberg, R. (1975). Growth of Mg-Al spinel crystals of large diameter using a modified flame fusion technique. Journal of Crystal Growth, 29 (2), 195–202. doi: http://doi.org/10.1016/0022-0248(75)90224-9
  60. Nigh, H. E. (1963). A Method for Growing Rare‐Earth Single Crystals. Journal of Applied Physics, 34 (11), 3323–3324. doi: http://doi.org/10.1063/1.1729186
  61. Burgers, W. C. (1963). The art and Sciens of Growing Crystals. New York, 416.

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-01-23

Як цитувати

Artemev, S. (2018). Дослідження механізмів процесу росту кристалів (модель Косселя). Technology Audit and Production Reserves, 3(3(41), 4–10. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.132963

Номер

Том 3 № 3(41) (2018): Хімічна інженерія

Розділ

Хіміко-технологічні системи: Оригінальне дослідження

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Sergey Artemev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.