КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 224-228
РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.5
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРНЫХ НАРУШЕНИЙ С МОРФОЛОГИЕЙ КРИСТАЛЛОВ Bi4Ge3012, ВЫРАЩЕННЫХ НИЗКОГРАДИЕНТНЫМ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО1
© 2004 г. В. Н. Шлегель, Ю. В. Шубин, Н. В. Иванникова
Институт неорганической химии СО РАН, Новосибирск E-mail: shlegel@che.nsk.su Поступила в редакцию 26.02.2003 г.
Рассматривается морфологическое строение граней кристаллов BGO, выращенных методом Чох-ральского в условиях низких градиентов температуры (0.1-1 град/см), взаимосвязь морфологических особенностей граней на фронте кристаллизации и образование дефектов в объеме кристалла. Показано, что грани {112} сохраняют устойчивость при отклонении растущей поверхности от кристаллографической плоскости (112) вплоть до 1°. При большем отклонении область устойчивого гранного роста в зависимости от условий переходит к области макроступеней, либо к области нормального роста.
ВВЕДЕНИЕ
Ортогерманат висмута В14ве3012 (БОО) - известный сцинтилляционный кристалл, который находит широкое применение в физике высоких энергий, медицинской технике и других областях. Ортогерманат висмута проявляет ярко выраженную тенденцию к огранению, обусловленную высоким значением энтропии кристаллизации (согласно критерию Джексона, стремление к послойному росту тем выше, чем выше энтропия кристаллизации). При выращивании ВвО традиционным методом Чохральского в условиях высоких градиентов температуры (50-200 град/см) наблюдается характерный для многих кристаллов "эффект грани", приводящий к формированию стержневых неоднородностей в объеме кристалла. Обычно формирование граней на фронте кристаллизации рассматривается как отклонение от оптимальных условий выращивания. Поэтому с целью подавления образования граней используют увеличение температурных градиентов, что, однако, ведет к усилению термических напряжений в растущем кристалле.
В [1, 2] отмечается повышение однородности материала и уменьшение плотности дислокаций в областях, соответствующих послойному (гранному) росту. Таким образом, неоднородность свойств кристаллов обусловлена не гранным ростом как таковым, а сосуществованием нормального и гранного механизмов роста, характеризующихся различием в плотности дислокаций и концентрации примесей, что ведет к формирова-
1 Работа была представлена на Национальной конференции
по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
нию сложного рельефа поверхности и образованию включений на границах этих областей.
Использование низкоградиентного метода Чохральского для выращивания ВвО позволяет распространить гранный рост на весь фронт кристаллизации. Уменьшение температурных градиентов, увеличение скорости вытягивания и изменение профиля температуры позволяют избежать одновременного образования гранных и округлых участков. Стабилизации гранного роста ВвО способствует практически полная непрозрачность для теплового излучения расплавленного ортогерманата висмута (коэффициент абсорбции >104 м-1) и высокая прозрачность кристаллического (коэффициент абсорбции <3 м-1) [3]. Таким образом, нестабильный рост с образованием включений наблюдается в основном на стадии формирования граней при разра-щивании кристалла от затравки до полного сечения. После того как гранный фронт кристаллизации полностью сформировался, он сохраняется почти до конца процесса выращивания. Лишь на завершающей стадии роста могут возникать нарушения гранной поверхности кристалла с образованием макроступеней на периферийных частях граней и включений в объеме кристалла.
В условиях низких градиентов получены большеразмерные кристаллы ВвО с полностью ограненным фронтом кристаллизации длиной до 450 мм с поперечными размерами до 130 мм [4]. Размер граней на фронте кристаллизации в таких кристаллах достигает 100 см2. Морфология таких больших граней, образованных при росте из расплава, мало изучена.
Изучение реальной структуры выращенных в таких условиях кристаллов показало, что основ-
ной их объем имеет очень высокую степень кристаллического совершенства. Полуширина дифракционных кривых, зарегистрированных на четырехкристальном рентгеновском спектрометре, не превышает 10'' [5, 6].
Кристаллы имеют уникальную оптическую однородность (длина поглощения до 30 м для X = 480 нм) и проявляют высокую стойкость к воздействию у-излучения.
Целью данного исследования является изучение взаимосвязи типа и распределения структурных дефектов кристалла с формой и строением граней на фронте кристаллизации.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для исследования поверхностей граней использованы образцы полиэдрических фронтов кристаллизации как с визуально плоскими гранями, так и с гранями, имеющими различную степень нарушений на поверхности. Такие образцы были получены при остановке роста на разных стадиях процесса быстрым отрывом кристалла от расплава (~100 мм/мин). При быстром подъеме кристалла капля отрыва на нижней части полиэдрического фронта очень мала или не наблюдается вовсе.
Рельеф естественных ростовых поверхностей измерялся на фрагментах фронтов, отрезанных параллельно кристаллографическим плоскостям {112}. Измерения проводились на двухкоординат-ном столе. При этом толщина пластины измерялась микромером с ценой деления 1 мкм и радиусом кривизны щупа 0.25 мм.
Реальная структура образцов была исследована методами рентгеновской топографии и высокоразрешающей рентгеновской дифрактомет-рии. Для регистрации топограмм использовался двухкристальный рентгеновский спектрометр, излучение Си^а1, монохроматор (004) (поверхность (035), ассимметричный рефлекс, угол скольжения ~3.5°). Перед измерением поверхнос-
ти естественных ростовых граней подвергались шлифовке для устранения неровностей и отклонения от кристаллографической плоскости (112). Шлифовка проводилась с применением порошков SiC 40, 20 и 8 мкм. Для снятия напряжений, вызванных шлифовкой, образцы травились 3M-раствором HCl в течение 5 мин.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рис. 2. Фрагмент грани (112) с плоским участком (а), переходной областью (б), мелкими (в) и крупными макроступенями (г). Внизу представлены рентгеновские топограммы соответствующих областей.
Рис. 3. Вогнутый (а) и выпуклый (б) рельеф визуально плоских граней.
Измерение дифракционных кривых проводилось на двухкристальном дифрактометре в №Аа1-излучении, монохроматор ве (004) (поверхность (001), симметричный рефлекс). Образы устанавливались в симметричной Брегговской геометрии и бездисперсионной конфигурации (+, -).
Рис. 4. Рассеяние направленного пучка света в области крупных включений (срез перпендикулярно направлению выращивания): а - область без включений, б - вуаль, в - структурированная вуаль, г - крупные включения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены формы фронта кристаллизации, полученные при выращивании кристаллов ВвО в направлении (111). Форма поверхности фронта кристаллизации может меняться с изменением условий роста, стадии процесса выращивания и пр. Размеры исследуемых граней достаточно велики, 50-80 см2, при этом различные участки поверхности могут различаться по морфологическому строению. Эти формы поверхности могут быть условно разделены на четыре группы: плоские участки, мелкие макроступени, крупные макроступени протяженностью до 1 см, округлые поверхности. На рис. 2 представлен фрагмент дефектной грани, на котором одновременно присутствуют участки с разной морфологией.
Как уже отмечалось выше, нарушение устойчивости грани, образование макроступеней и сосуществование разных механизмов роста на фронте кристаллизации сопровождается образованием различных включений в объеме кристалла. При рассмотрении кристаллов в луче лазера или интенсивном узконаправленном пучке видимого света можно различить по крайней мере четыре типа включений: крупные включения размером несколько миллиметров, мелкие равномерно распределенные рассеивающие свет центры (вуаль), структурированная вуаль, газовые пузыри размером до миллиметра.
Анализ их расположения в областях кристаллов, прилегающих к фронту кристаллизации, показывает наличие связи распределения включений с рельефом поверхности. Качественный материал (без включений) в основном получается в областях, образованных визуально плоскими участками граней с отклонением от плоскости (112) не более одного градуса. Топограмма, зарегист-
Рис. 5. Рассеяние лазерного луча в области крупных включений (срез вдоль направления выращивания): а - крупное включение в луче лазера, б - рассеивающие центры (вуаль) перед появлением крупного включения, в - прозрачная область после включения.
рированная в данной области, демонстрирует высокую степень кристаллического совершенства кристалла (рис. 2а). Что подтверждается и измерением значения полуширины дифракционной кривой (составляет 23'').
На рис. 3 приведены результаты измерения рельефа поверхности визуально плоских граней. От ограненного фронта кристалла были отрезаны пластинки, параллельные одной из граней, поверхность реза ориентировалась параллельно плоскости (112) с точностью ±0.1°. В левой части рисунка представлены фотографии пластинок и схематично показано их расположение на фронте кристаллизации. В правой части рисунка показаны результаты микрометрических измерений поверхности. Увеличение масштаба в направлении оси X позволяет наблюдать вогнутость (а) и выпуклость (б) визуально плоских участков, постепенно переходящих в сглаженные макроступени на периферии граней. Рентгенографические измерения ориентации плоских участков граней обнаруживают отклонения их от сингулярной плоскости (112) вплоть до 1°.
Небольшие переходные области между устойчивыми гранями и макроступенями, оставаясь гладкими, могут отклоняться от сингулярного направления на 1-3°. В прилегающем объеме кристалла появляются мелкие рассеивающие центры, вуаль (рис. 46). Протяженность такой переходной области обычно не превышает 2-3 мм (рис. 26), но иногда достигает 10-15 мм. В случае достаточно широкой переходной области можно наблюдать появление неоднородности в распределении рассеивающих центров, структурированную вуаль (рис. 4в). Эта область характеризуется формированием дислокаций
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.