Что происходит в монокристалле

монокристалл

Во многих областях техники уже нельзя обой­тись без деталей, изготовленных из монокристаллов германия, кремния, рубина, кварца и многих других веществ. Выращивание монокристаллов — сложное и трудоемкое дело. Кристалл должен обладать со­вершенной структурой, иметь минимальное число дефектов. Но после выращивания и остывания до комнатной температуры, кристалл получается обыч­но сильно «измятым» внутри. Во внешне безукориз­ненном прозрачном и, казалось бы, совершенном кристалле на самом деле есть сильно растянутые и сжатые участки. Это — следствие очень сложной температурной «биографии» кристалла, приводящей к возникновению в нем внутренних напряжений.

Эти напряжения — опасный и весьма коварный враг кристаллов. Их нельзя обнаружить при обыч­ном осмотре, они могут быть причиной появления неожиданной трещины при любом прикосновении — не говоря уже о попытках обработать кристалл; они ухудшают его физические свойства… Внутренние на­пряжения обнаруживаются и измеряются с по­мощью поляризованного света. В зонах таких на­пряжений оптически изотропный кристалл становит­ся анизотропным и поляризованный луч света раз­деляется на два луча. Возникшая между лучами раз­ность хода световых волн создает определенную окраску, зависящую от величины напряжений.

Таким методом исследования напряжений дав­но пользуются при проектировании различных со­оружений, прибегая к прозрачным для света моде­лям (обычно — из искусственных органических ма­териалов).

Прозрачные кристаллы сами могут быть прямым объектом исследования, на котором непосредствен­но проводится весь цикл измерений. Этим методом можно выявить температурные режимы, при кото­рых в кристалле возникают значительные напряже­ния; можно найти температуру, при которой они почти полностью снимаются; определить условия остывания кристалла, позволяющие сохранить его целым и «не испорченным» большими внутренними напряжениями.

Исследователь наблюдает картину напряжений в кристалле непосредственно в процессе изменения температуры, а не только после окончания всего цикла термической обработки.

На цветной вклейке показаны фотографии кар­тин распределения внутренних напряжений в моно­кристалле бромистого калия размером 100 X 100 X 20 мм при скорости нагрева и остывания несколь­ко десятков градусов в час.

В первоначально ненапряженном кристалле при быстром нагреве возникают заметные напряжение и в поляризованном свете кристалл окрашивается (фото 1). Эти напряжения — следствие слабой теп­лопроводности кристалла; его средняя часть не ус­певает прогреться до задаваемой температуры. Рез­кое остывание кристалла тоже приводит к значи­тельным напряжениям (фото 2), причем если ско­рость снижения температуры близка к скорости’ предшествовавшего нагрева, то величины напряже­ний совпадают, но их знаки меняются на обратные — фото 3 весьма напоминает фото 1, как бы поверну­тое относительно него на 180°.

Монокристалл    Монокристалл    Монокристалл    Монокристалл    Монокристалл    Монокристалл

Совершенно неожиданно повел себя кристалл при дальнейшем снижении температуры — имевшая­ся симметрия окраски, соответствующая кристалло­графической симметрии бромистого калия, вдруг ис­чезла (фото 4). Причины этого видны на следующих спектрах: напряжения «нашли» слабое место в кри­сталле, сконцентрировались на нем (фото 5), и в этом месте кристалл треснул (фото 6).

Самое интересное для нас в этих картинах то, что они «почувствовали» грозящую катастрофу за­долго до того, как она произошла. Кристалл можно было спасти, если бы, заметив распределение на­пряжений, показанное на фото 4, экспериментатор резко уменьшил скорость снижения температуры.

Но и погибший кристалл принес пользу исследо­вателю — он показал ему, что режим термической обработки был выбран неправильно, что над этой стадией процесса надо еще поработать…

И. В. СМУШКОВ и М. С. КАПЛАН

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>