Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
хушки кристаллов, которые все равно не идут на изготовление оптических элементов. При использовании в качестве затравок пластин {110} зона регенерации отсутствует или слабо развита.
Важной операцией при выращивании кристаллов KDP является подготовка раствора. Синтез раствора проводится по реакции КОН +
+ Н3РО4 = КН2РО4 + Н2О. При выращивании дейтерированных кристаллов (DKDP), в которых атомы водорода частично замещены на дейтерий, для синтеза используется дейтерированная ортофосфорная кислота.
Кристаллы начинают расти при достижении определенного пересыщения раствора. При выращивании в направлении [001], когда нарастают грани {110}, критическое пересыщение составляет 2 г на 100 г раствора. Критическое пересыщение для граней {100} составляет 5 г на 100 г раствора. Растворимость КН2РО4 в воде возрастает с увеличением температуры (рис. 10.4), поэтому для достижения пересыщения раствора можно использовать либо метод охлаждения раствора, либо метод испарения растворителя. Наибольшая скорость роста наблюдается в направлении [001].
Выращивание кристаллов за счет испарения растворителя
Выращивание этим методом осуществляется при постоянной температуре. Точность поддержания постоянной температуры всегда выше, чем точность контроля температуры при ее изменении. Особенностью этого метода является то, что в процессе кристаллизации уменьшается объем раствора. Поэтому в начале роста кристаллизация идет из большого объема при малом пересыщении, а в конце - из малого объема при большом пересыщении, т.е. условия кристаллизации в начале и конце процесса неодинаковы и раствор по мере испарения обогащается примесями. Кроме того, затруднено программное управление сливом конденсата. Уменьшение объема раствора в процессе роста кристалла затрудняет его перемешивание и для получения больших кристаллов требует больших объемов кристаллизаторов.
Выращивание методом охлаждения раствора
В этом методе пересыщение раствора достигается за счет его переохлаждения. Для рассматриваемых кристаллов для начала роста грани призмы {100} характерно наличие порогового переохлаждения (рис. 10.5).
265
VC
С,г/Ю0мл
Рис. 10.4. Температурная зависимость растворимости дигидрофосфата калия
Это обеспечивает рост граней пирамиды при отсутствии роста граней призмы и получение кристаллов, ограненных гранями призмы. Снижение температуры раствора ведется со скоростью 0,05...0,1 град/ч в начальный период роста кристалла и 0,3 град/ч в конце процесса. Скорость вращения затравки составляет 80... 100 об/мин. Кристаллы массой порядка 400 г вырастают в кристаллизаторах объемом 3 л в течение
1,5...2 мес. Существенным недостатком этого метода является то, что терморегулирование раствора обычно ведется с помощью контактного термометра. Капилляр шкалы контактного термометра недостаточно равномерен. Поэтому работа самых хороших автоматических систем, в которых в качестве датчика используется контактный термометр, не может обеспечить достаточно равномерного снижения температуры, что приводит к скачкообразному ее изменению. Ртуть и сердечник, находящиеся в капилляре контактного термометра, при длительной работе покрываются оксидными пленками. Это препятствует контакту в момент соприкосновения и повышает инерционность регулирования.
Часто метод снижения температуры используется в комбинации с методом отбора конденсата. Эти приемы проводятся последовательно: до определенной температуры проводится снижение температуры, а затем начинается отбор конденсата.
На рис. 10.5 показана характерная зависимость скорости роста кристалла KDP от переохлаждения. Видны три области переохлаждения: 1) 0 < АТ < АТтm - так называемая «мертвая зона» - область переохлаждений, в которой рост грани [100] не происходит; 2) область ATmm < АТ < Л7диф характеризуется низкими скоростями роста, этой области соответствует диффузионный механизм кристаллизации; 3) при повышении АТ > АТт$ скорость роста кристалла быстро возрастает и механизм кристаллизации переходит от диффузионного к кинетическому.
Скорость роста на участках I и II зависит от переохлаждения как
v = PicT, (10.1)
где а - переохлаждение АТ или пересыщение [(С - Со)/Со];
Р - кинетический коэффициент, зависящий от условий кристаллизации;
т - параметр, зависящий от механизма кристаллизации.
v, мкм/мин
Рис. 10.5. Зависимость скорости роста кристаллов KDP от переох-лаждення
266
10.3. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ И КИСЛОТНОСТИ РАСТВОРА НА РОСТ КРИСТАЛЛОВ KDP И ADP
Под влиянием примесей и pH раствора может изменяться габитус кристалла: происходит так называемое «выклинивание». Эффект выклинивания состоит в том, что грани призмы кристалла перестают быть параллельными и сходятся под некоторым углом. Этот угол 0 может охарактеризовать степень выклинивания (рис. 10.1, б). Для снижения эффекта выклинивания при выращивании кристаллов из сырья марок х.ч. и ч.д.а. при температурах 30...60 °С оптимальные значения pH 2,5...3,5 и pH 4,5...5 соответственно. При pH 4,5...5 кристаллы растут с ровными гранями призмы и дипирамиды. Снижение кислотности приводит к расширению кристаллов и снижению скорости роста по направлению [001]; при этом качество кристаллов ухудшается. Грани дипирамид становятся ступенчатыми, но с увеличением температуры высота ступеней уменьшается и при 60 °С грани становятся ровными. Ступенчатость граней усиливается с повышением загрязненности раствора. Выклиниванию кристаллов способствует присутствие в растворе ионов металлов Cr3+, Fe3+, Al3+, Ti3+ и др. [3]. Добавление КОН повышает pH раствора и ослабляет воздействие катионных примесей [4]. При выращивании из загрязненных растворов появляются провалы, идущие от вершин кристаллов к основаниям граней {101} и продолжающиеся по граням призмы. Провалы вызваны недостаточным поступлением вещества к средней части граней.
