КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 6, с. 863-890
= ОБЗОРЫ
УДК 54855 Посвящается Международному году кристаллографии
КОСМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ: РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2014 г. В. И. Стрелов, И. П. Куранова, Б. Г. Захаров, А. Э. Волошин
Институт кристаллографии РАН, Москва Email: voloshin@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 09.07.2014 г.
Проведен обзор исследований по кристаллизации в космосе. Основное внимание уделено росту кристаллов полупроводников и белков. Рассматривается история вопроса, анализируется влияние микрогравитации на рост кристаллов, приводится анализ основных экспериментов по росту кристаллов в невесомости. Дается подробный обзор работ ИК РАН в этой области.
DOI: 10.7868/S0023476114060289
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Основные результаты космических экспериментов по выращиванию кристаллов полупроводников
2. Реальная микрогравитационная обстановка на борту космических аппаратов
3. Методы роста кристаллов полупроводников в условиях микрогравитации
3. 1. Направленная кристаллизация
3.2. Бестигельная зонная плавка
4. Специфика поведения расплавов в условиях микрогравитации, определяющая основные принципы постановки космических экспериментов
5. Кристаллизация белков в условиях невесомости. Особенности белковых кристаллов
6. Основные методы выращивания белковых кристаллов
7. Факторы, влияющие на качество белковых кристаллов
8. Параметры сравнения наземных и "космических" кристаллов
9. Источники повышения качества кристаллов в невесомости
10. Исследования в ИК РАН в 2004-20014 годах
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс космической техники во 2-й половине XX в. в области создания беспилотных и пилотируемых космических аппаратов (КА) привел к формированию и развитию нового научно-технического направления, связанного с исследованиями в условиях микрогравитации (МГ), — космического материаловедения, которое ставит своей целью использование космического про-
странства (МГ, высокий вакуум, солнечная радиация и т.п.), а при росте кристаллов, в первую очередь, — состояние МГ, для получения материалов со свойствами, недостижимыми в земных условиях.
В настоящее время реализуются различные направления материаловедения и технологий, перспективные для условий МГ. Это касается получения монокристаллов для широкой области приборов микроэлектроники, материалов для оптоволоконной техники, сверхпроводящих материалов, биокристаллов и др.
На первом этапе исследований использование МГ для получения кристаллов со свойствами, недостижимыми в земных условиях, основывалось на том, что:
— при МГ практически исчезает термогравитационная конвекция, которая в земных условиях в основном определяет примесную микронеоднородность выращиваемых кристаллов; — при получении из расплава многокомпонентных кристаллов невесомость может обеспечить более высокую однородность распределения компонентов по объему кристаллов;
— при МГ процесс кристаллизации в силу специфики физико-химических свойств полупроводниковых расплавов может происходить при отсутствии контакта расплава со стенками контейнера, что приводит к снижению негативного воздействия контейнера на рост, структуру и чистоту получаемых кристаллов;
— при выращивании кристаллов белков в невесомости массообмен в растворе осуществляется преимущественно за счет диффузии, что приводит к возникновению вокруг кристалла зоны, обедненной примесями (эффект «самоочистки»), и, как следствие, росту более совершенных кристаллов.
Именно такими соображениями руководствовались российские и зарубежные исследователи,
приступая к практическим экспериментам на борту КА. Но все оказалось гораздо сложнее. На первоначальном этапе исследований на КА еще отсутствовала система регистрации уровня реальной МГ, не были развиты методы математического моделирования процессов тепломассоперено-са (ТМП) в расплавах, поэтому эксперименты проводились на сугубо эмпирической основе: опробовать в космосе по отработанным на земле технологиям различные методы выращивания кристаллов, получить широкий спектр кристаллических материалов и установить, какие из них будут существенно лучше получаемых в земных условиях, чтобы в дальнейшем, используя космические результаты, организовать их опытное или серийное производство. Воздействие длительной МГ на вещества и материалы в жидком и газообразном состоянии, а также при кристаллизации, как выяснилось в результате выполненных исследований, является сложным и неоднозначным: МГ может приводить к лучшим результатам по сравнению с земными условиями, давать такой же результат, что и в земных условиях, но может приводить и к худшим результатам [1, 2].
Из анализа результатов космических экспериментов (КЭ) следует, что проведенные к настоящему времени в России и за рубежом многочисленные эксперименты по выращиванию монокристаллов в условиях МГ демонстрируют принципиальную возможность получения в космосе кристаллов с высокими по однородности характеристиками. Однако по совокупности требуемых параметров и по воспроизводимости результатов на данном этапе космические кристаллы (КК) уступают образцам, выращиваемым по передовым земным технологиям.
1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ВЫРАЩИВАНИЮ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
С 1976 по 2000 г. были начаты и систематически проводились космические исследования по получению разнообразных материалов, к настоящему времени проведено более 800 КЭ, в том числе около 150 — на высотных и суборбитальных ракетах, около 150 — на автоматических аппаратах типа "Фотон" и более 500 — на орбитальных станциях "Салют", пилотируемых космических комплексах "Союз—Аполлон", "Мир".
В процессе КЭ были опробованы на борту КА различные методы выращивания: направленная кристаллизация, зонная плавка, химическое и физическое осаждение из газовой фазы, жидкостная эпитаксия.
Выращивались объемные из расплава кристаллы Ge, GaSb, InSb, InP, CdTe, CdHgTe, CdSeTe, CdZnTe, MnHgTe, а также монокристаллические
пленки из газовой фазы Ge, CdS:CdSe, 81 и др. [3— 5], которые предполагалось использовать в микро- и оптоэлектронике, СВЧ-технике, при создании лазеров, детекторов излучения и СИ нового поколения.
Основные организации постановщики первых КЭ по росту кристаллов полупроводников в России: НИИ "Научный центр" (Зеленоград); ОАО "Гиредмет" ГНЦ РФ; Институт металлургии и материаловедения РАН; Институт физики твердого тела РАН (Черноголовка); "Конструкторское бюро общего машиностроения имени В.П. Бармина" (ФГУП "КБОМ", Москва); Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение" ИК РАН (Калуга).
Среди многообразия материалов, используемых для изучения особенностей процессов кристаллизации в космосе, особое место занимают полупроводники. Объясняется это тем, что они обладают рядом принципиальных преимуществ, важнейшее из которых — исключительно высокая чувствительность электрофизических свойств кристаллов к наличию и характеру распределения в них примесей и структурных дефектов. Кроме того, очень существенно то, что уже имеются отработанные, высокочувствительные, с большой пространственной разрешающей способностью методы контроля этих параметров [6].
2. РЕАЛЬНАЯ МИКРОГРАВИТАЦИОННАЯ
ОБСТАНОВКА НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
На первом этапе исследований (1970—1985 гг.) на КА отсутствовала система регистрации МГ, считалось, что на борту КА реализуются условия полной невесомости, т.е. ускорение силы тяжести равно нулю. Однако результаты экспериментов по росту кристаллов оказались неожиданными, космические образцы по совокупности параметров уступали земным аналогам, одними из основных причин этого оказались остаточная МГ и конвекция Марангони (конвекция, возникающая при наличии свободной поверхности расплава) [7-11].
В дальнейшем вследствие гаридента поверхностного натяжения было установлено, что в реальных условиях низкоорбитального космического полета (~400—500 км) из-за действия сил аэродинамического торможения аппаратов, собственного внутреннего тяготения между их составными частями (как правило, оборудование находится вне центра масс), вибраций КА и т.п. состояния полной невесомости достичь не удается, и на борту действуют остаточные микроускорения с широким диапазоном частот и амплитуд на уровне 10—1—10—6 g0 (§о — земная гравитация) [12-20].
В настоящее время остаточные микроускорения на борту искусственных КА Земли обычно разбивают на две составляющие: квазистатическую и вибрационную (таблица).
Квазистатическая компонента микроускорений лежит в области частот до ~0.01 Гц и обусловлена характером орбитального полета КА. Ее величина и направление зависят от высоты орбиты и ориентации осей КА относительно Земли. Большинство экспериментов выполнялось на КА с почти круговой орбитой высотой 400—500 км над Землей. Для таких КА в свободном полете остаточные микроускорения в центре масс КА порядка 10—5—10—6 g0 и увеличиваются с удалением от него. В управляемом полете они могут достигать вне центра масс ~10—3 g0 и больше.
Вибрационная составляющая микроускорений обусловлена упругими колебаниями конструкции КА, системами ориентации КА, возбуждаемыми работой бортовых устройств жизнеобеспечения и деятельностью экипажа. Для КА массой несколько тонн и выше она имеет частоты в области выше сотых долей герца 0.01—300 Гц, а ее амплитуды могут достигать значений 10—1 g0.
3. МЕТОДЫ РОСТА КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ
При проведении экспериментов на борту КА исследователи ориентировались на кристаллизационные процессы, которые, с одной стороны, широко применяются в земных технологиях, а с другой — наиболее полно используют преимущества МГ. К их числу относятся бестигельная зонная плавка (БЗП) и метод направленной кристаллизации. Большинство опытов с использованием этих методов проведены на установках типа "Зона" и "Полизон", специально изготовленных в КБОМ.
3.1. Направленная кристаллизация
Одними из первых были проведены эксперименты по направленной кристаллизации на борту КА "Аро11о"—"Союз" (1975 г.) [21].
В первой серии экспериментов выращивались из расплавов монокристаллы Ge, легированные ~1 ат. % 81 и ~0.001 ат. % 8Ъ, во вто
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.