Шевчук Сергій Миколайович. Закономірності росту монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності при зміні температурного режиму кристалізації

Краткое описание

Шевчук Сергій Миколайович. Закономірності росту монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності при зміні температурного режиму кристалізації : Дис... канд. наук: 05.02.01 2006

Шевчук С.М. Закономірності росту монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності при зміні температурного режиму кристалізації. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 Матеріалознавство”. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2006.
Дисертацію присвячено проблемі вирощування великих структурно-досконалих монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності на одиничній затравці методом температурного градієнта в апараті високого тиску типу «тороїд» при зміні температурного режиму кристалізації. Розроблені і реалізовані методичні прийоми, що дозволили: удосконалити використовувану комірку високого тиску для збільшення верхньої границі досяжних температур на 200-300оС. Вивчені закономірності росту монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності методом температурного градієнта на одиничній затравці при зміні температурного режиму кристалізації, що допомогло створити спосіб вирощування структурно-досконалих монокристалів алмазу масою до 4,5 карат, який полягає у швидкому підвищенні температури вирощування на величину 50 100оС після 40 50 годин вирощування з наступним її зниженням до початкового значення.

В роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає у встановленні закономірностей росту структурно-досконалих монокристалів алмаза масою до 3 5 карат на одиничній затравці методом температурного градієнта в апараті високого тиску типу «тороїд» при зміні температурного режиму кристалізації.
Основні висновки та результати проведених досліджень полягають у наступному:
1. Розроблено спосіб вирощування монокристалів алмазу в апараті високого тиску типу «тороїд» шляхом зміни температурного режиму кристалізації, який полягає у швидкому (2-3 с) підвищенні температури вирощування на величину DТ = 50 100оС після 40 50 годин вирощування з наступним її зниженням до початкового значення.

Показано, що для вирощування якісних монокристалів алмазу на одиничній затравці способом зміни температурного режиму кристалізації в ростовій системі Fe-Ni-C швидкості зниження температури складають 2,06 4,16оС/год при DТ = 50оС і 3,3 5,8оС/год при DТ = 100оС, а у системі Fe-Al-C при DТ = 50оС, складають 2,00 2,5оС/год.
Встановлено, що багаторазове термоциклювання (2-3 цикли і більше) дозволяє вирощувати в ростових системах Fe-Al-C та Fe-Ni-C структурно досконалі монокристали алмазу масою до ~4,5 карат.
Шляхом числового розв’язання рівнянь теплопровідності та дифузії виконано, комп’ютерне моделювання розподілу температури та граничної концентрації вуглецю в ростовому об’ємі для кристалів кубічного, октаедричного та кубооктаедричного габітусів, при досяганні ними граничних для використовуваного ростового простору розмірів, яке дозволило якісно охарактеризувати величини пересичень розчинника вуглецем для різних граней кристала. Встановлено, що найбільш однорідні умови кристалізації у використовуваному ростовому об’ємі виконуються для кристалів октаедричного та кубоктаедричного габітусу.
Вперше для монокристалів синтетичного алмазу, вирощених в системі Fe-Al-C, в результаті проведення термоциклювання, виявлені прості форми {139} та {917}.
Встановлено, що кристали, отримані способом ЗТР в системі Fe-Al-C, мають більш високий рівень залишкових напруг у порівнянні з кристалами, які отримані в системі Fe-Ni-C, внаслідок утворення дислокацій росту та більшого захоплення включень розчинника.
Встановлені особливості поводження монокристалів алмазу, вирощених на затравці способом ЗТР в ростовій системі Fe-Al-C з бором:

дослідженнями температурної залежності електропровідності отриманих монокристалів алмазу встановлено, що вони є напівпровідниковими і мають аномальну залежність електропровідності від температури ділянок кристала, які належать пірамідам росту (001) та (001)+(111), обумовлену зонально-секторіальною неоднорідністю дефектно-домішкового складу цих пірамід росту;
показано, що відпал на повітрі при 1000оС отриманих монокристалів, які містять включення розчинника, призводить до втрати маси, яка не перевищує 2 % навіть при витримці протягом ~ 8 годин.

Вирішені технологічні питання вирощування монокристалів алмазу на одиничній затравці масою до ~4,5 карат:

удосконалені конструкція контейнеру та ростові комірки для вирощування монокристалів, що дозволило підвищити верхню межу досяжних в ростовій комірці температур на 200-300оС;
удосконалені техніка введення термопар в ростову комірку та спосіб їх ізоляції, що дозволило підвищити точність і надійність вимірювання температури;
визначені умови гарячого пресування порошків металів-розчинників з графітом, що дозволяє виконувати формування зразків заданої щільності та необхідного складу;
визначені розміри конструктивних елементів ростової комірки, які забезпечують оптимальні температурні умови росту кристала.
9. Згідно проведених в дисертаційній роботі наукових досліджень, розроблено технологічний процес вирощування монокристалів алмазу способом зміни температурного режиму кристалізації, який випробувано в промислових умовах Державного підприємства „Алкон-Діамант” і одержано позитивний висновок відносно промислового використання методу для виготовлення товарної продукції.