Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Присутствие примесей в кристалле приводит к изменению параметра решетки, вследствие чего при неоднородном распределении примеси возникают неоднородная деформация кристалла и упругие напряжения. Из-за малой пластичности кристаллов гранатов эти напряжения лишь в малой степени могут релаксироватъ в результате движения дислокаций и, достигая предела хрупкого разрушения, приводят к растрескиванию кристалла. По некоторым оценкам [17], напряжения релаксируют растрескиванием, а не с помощью образования дислокаций, если изменения параметра решетки (Аа) в кристаллах граната превосходит величину Да/а=1(Н.
Важным фактором, определяющим дислокационную структуру гранатов, особенно гранатов на основе Ga20, является сегрегация вакансий, образующихся в результате отклонения от стехиометрии. Сегрегация вакансий приводит к образованию дислокационных петель с векторами Бюргерса, имеющих направления < 111 > и <110> [18]. Для оценки критического радиуса дислокационных петель гс в ИАГ [19] использовано уравнение Шоека - Тиллера
где b - вектор Бюргерса;
г - радиус вакансионного диска;
у - поверхностная энергия вакансионного диска;
yst - энергия дефекта упаковки (предполагается, что yst = у/2);
G - модуль упругости.
Эти оценки показали, что при G = 10 Н/см2, Ъ = 10 8см и у = 200 эрг/см2 величина гс в ИАГ составила 10 нм, что в пятьдесят раз больше, чем у таких металлов, как Pb, Ag, Си, и в три раза больше, чем для кристаллов типа LiNbCb (0,9 нм). Это означает, что вероятность образования дислокационных петель в результате коагуляции вакансий в гранатах и вообще в ионных оксидных кристаллах значительно меньше, чем в металлах. Критический радиус дислокационных петель определяет величину переохлаждения (ДТ/Т), которую нужно иметь, чтобы обеспечить требуемое для данного гс пересыщение вакансий. Оценка переохлаждения может быть сделана [19] с помощью уравнения, предложенного Шоеком и Тиллером
где Т„ - температура кристаллизации;
Es - энергия образования дефектов Шотпси (1011 эрг для ИАГ).
При скорости роста кристалла ИАГ 0,3 см/с и градиенте температур на фронте кристаллизации 350 град/см переохлаждение вблизи фронта кристаллизации не превышает 1,2-10 2. При столь низких значениях ДTIT образование петель критического размера (для чего нуж-
blrc{ln(rlb) + 1,8) = 4/>(2у - yst)/3<7?>,
(5.1)
AТ1Тт = (ЪСЬШпЕ,) (b/r){ln(rlb) + 2,8},
(5.2)
119
но порядка 10 вакансий) маловероятно. Реальная плотность дислокационных петель в кристаллах на два порядка выше, чем та, которую может дать коагуляция термических вакансий [19]. Избыточные вакансии, необходимые для образования дислокационных петель, возникают вследствие температурного градиента и диффузии вакансий из холодных областей в горячие. Не исключая возможность такого механизма образования дислокационных петель, следует заметить, что основную роль в этом процессе, особенно для кристаллов ГГГ, ГСГГ и других, содержащих Ga, избыток вакансий может возникать из-за отклонения кристалла от стехиометрии [20, 21]. Дислокационные петли, возникающие по этой причине, можно устранить добавкой GchCb в расплав [22].
Причиной образования дислокационных петель могут быть и включения. Чаще всего это включения материала тигля (1г или Мо). Такие петли [18, 20, 23] в гранатах образуются в плоскостях {111} и {110} и являются призматическими с векторами Бюргерса <111> и < 110> соответственно.
К внешним факторам, определяющим образование дислокаций, можно отнести:
1. Метод выращивания кристалла. Каждый метод обладает своими особенностями, в частности, метод выращивания определяет степень неравновесности кристалла. При выращивании из раствора кристалл гораздо ближе к равновесному состоянию, чем при выращивании из расплава, а при выращивании из расплава методом Чохральского состояние кристалла обычно ближе к равновесию, чем при выращивании методом Вернейля. Степень отклонения кристалла от равновесия во многом определяет его напряженное состояние, а следовательно, движущую силу пластической деформации, которая может происходить в кристалле при охлаждении после кристаллизации и в процессе послеростовой термической обработки. В частности, при выращивании методом Вернейля градиент температур вблизи фронта кристаллизации может достигать 1000 град/см, что и определяет высокую плотность дислокации в кристаллах, выращенных этим методом.
2. Нестабильность технологических параметров процесса выращивания кристалла.
3. Термоупругие напряжения, возникающие при охлаждении после кристаллизации или после термической обработки.
4. Наличие фазовых переходов при охлаждении от температуры выращивания до комнатной.
5. Наследование дислокаций из затравки.
Использование перетяжки после начала кристаллизации на затравке позволяет практически исключить влияние последнего фактора на дислокационную структуру кристалла. В рассматриваемых 120
кристаллах отсутствуют фазовые превращения при охлаждении до комнатной температуры, поэтому исключено влияние и этого фактора. Автоматизация процесса выращивания, использование для этой цели электронно-вычислительных машин позволяют в значительной мере снизить нестабильность процесса выращивания и ее влияние на образование дислокаций.
