Общие положения о способах получения конденсированных систем, страница 10

Рисунок 11 – График зависимости числа центров кристаллизации (Ч.Ц.)

и скорости роста (V_роста) от скорости охлаждения (V_охл).

Рисунок 12 – Схема дендрита

Условия, при которых образуется зернистая структура, наблюдаются только при весьма медленном охлаждении. При ускоренном охлаждении кристаллизация носит дендритный характер. При этом рост зародышей происходит с неравномерной скоростью, и их развитие идет, главным образом в направлениях максимального отвода тепла. Сначала возникают оси дендрита первого порядка, от них второго и т.д. (рисунок 12).

Гомогенная кристаллизация.При гомогенном затвердевании происходит образование зародышей кристаллитов в расплаве очень чистого металла. Практически осуществить гомогенное зарождение очень сложно, т.к. необходимо исключить влияние любой готовой поверхность частиц, примесей из стенок.

Гетерогенная кристаллизация.По такому типу кристаллизуются все реальные сплавы. При охлаждении расплава степень ближнего порядка возрастает из-за интенсивного теплового движения. Малые области с расположением атомов подобным их расположению в кристаллическом состоянии, то разрушаются, то возникают вновь. В дальнейшем вероятность возникновения областей с таким же координационным числом как у твердого металла будет увеличиваться.

,                                             (4)

где  – изменение свободной энергии, связанной с переходом из жидкого состояния в твердое.

,                                                       (5)

где  – площадь поверхности раздела между расплавом и кристаллическим зародышем.

Свободная энергия всей системы равна:

,                             (6)

где  и  – коэффициенты формы для расчета объема и поверхности зародыша;

 – поверхностное натяжение между жидкой и твердой фазами.

Большое значение имеют готовые поверхности раздела между жидкой и твердой фазами. Перегрев расплава снижает возможности гетерогенной кристаллизации, потому что часть примесей растворяется. К этому же приводит и выстаивание расплава.

Влияние предварительного перегрева и выстаивания на число центров кристаллизации сопровождается постепенным растворением и дезактивацией твердых частиц примесей, на которых образуются после небольших переохлаждений зародыши кристаллизации. Существуют примеси, активность которых нельзя устранить с помощью перегрева – это собственные окислы металла. Эти примеси называются активными.

Рисунок 13 – Изменение объемной свободной энергии металла в жидком (Fж) и твердом (Fтв) состояниях в зависимости от температуры

Кристаллизация на анизотропной подкладке. Если взаимное расположение атомов или ионов на стенке, у которых возникает кристаллический зародыш, такое же, как на соприкасающейся с ним грани этого зародыша, и расстояние между атомами или ионами по обе стороны от поверхности раздела одинаковы, то коэффициент поверхностного натяжения очень мал (особенно если валентности ионов в обоих кристаллических телах одни и те же). Кристаллы новой фазы будут иметь такое же строение, как и у грани на которой они образуются. Это явление называется эпитаксией.

Эпитаксия – это ориентированная кристаллизация вещества на поверхности кристалла-подложки. Эпитаксия на подложке из кристаллизующегося вещества называется гомоэпитаксией (автоэпитаксией), на чужеродной подложке – гетероэпитаксией. Обычно подложку подвергают механической, химической или радиационной обработке для создания на ее поверхности определенного рельефа. В результате при гомоэпитаксии получают кристаллы с направленно измененным рельефом поверхности. Гомоэпитаксия в присутствии примеси позволяет получать кристаллы с легированным приповерхностным слоем. При гетероэпитаксии центры кристаллизации формируются вблизи поверхностных дефектов подложки (ступеней, выходов дислокаций и др.) и ориентируются так, чтобы решетки нарастающего кристалла и подложки находились в максимальном соответствии (принцип Данкова). В результате центра растут анизотропно: либо преимущественно в тангенциальном направлении, образуя сплошную пленку, либо преимущественно в направлении, нормальном к поверхности подложки. Эпитаксильные наросты используют в радиоэлектронике и для получения композиционных материалов.