Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования

Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования

The opportunity of use heat sink for creation melt supersaturation, which is necessary for stimulation heterogeneous nucleation is shown, that allows to provide formation and growth of diamond single crystals in the required points of a substrate.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2007
Hauptverfasser: Серга, М.А., Коваленко, Т.В., Шевчук, С.Н., Лысаковский, В.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2007
Schriftenreihe:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Schlagworte:
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135092
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования / М.А. Серга, Т.В. Коваленко, С.Н. Шевчук, В.В. Лысаковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 284-288. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-135092
record_format dspace
spelling irk-123456789-1350922018-06-15T03:08:37Z Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования Серга, М.А. Коваленко, Т.В. Шевчук, С.Н. Лысаковский, В.В. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов The opportunity of use heat sink for creation melt supersaturation, which is necessary for stimulation heterogeneous nucleation is shown, that allows to provide formation and growth of diamond single crystals in the required points of a substrate. 2007 Article Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования / М.А. Серга, Т.В. Коваленко, С.Н. Шевчук, В.В. Лысаковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 284-288. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2223-3938 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135092 548.5 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
spellingShingle Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Серга, М.А.
Коваленко, Т.В.
Шевчук, С.Н.
Лысаковский, В.В.
Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description The opportunity of use heat sink for creation melt supersaturation, which is necessary for stimulation heterogeneous nucleation is shown, that allows to provide formation and growth of diamond single crystals in the required points of a substrate.
format Article
author Серга, М.А.
Коваленко, Т.В.
Шевчук, С.Н.
Лысаковский, В.В.
author_facet Серга, М.А.
Коваленко, Т.В.
Шевчук, С.Н.
Лысаковский, В.В.
author_sort Серга, М.А.
title Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
title_short Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
title_full Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
title_fullStr Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
title_full_unstemmed Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
title_sort использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate 2007
topic_facet Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135092
citation_txt Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования / М.А. Серга, Т.В. Коваленко, С.Н. Шевчук, В.В. Лысаковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 284-288. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv AT sergama ispolʹzovanieteplostokovdlâstimulirovaniâgeterogennogozarodyšeobrazovaniâ
AT kovalenkotv ispolʹzovanieteplostokovdlâstimulirovaniâgeterogennogozarodyšeobrazovaniâ
AT ševčuksn ispolʹzovanieteplostokovdlâstimulirovaniâgeterogennogozarodyšeobrazovaniâ
AT lysakovskijvv ispolʹzovanieteplostokovdlâstimulirovaniâgeterogennogozarodyšeobrazovaniâ
first_indexed 2025-07-09T22:41:24Z
last_indexed 2025-07-09T22:41:24Z
_version_ 1837210938916208640
fulltext РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 284 УДК 548.5 М. А. Серга, инж.; Т. В. Коваленко, асп.; С. Н. Шевчук, канд. техн. наук; В. В. Лысаковский, асп. Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев, Украина ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОСТОКОВ ДЛЯ СТИМУЛИРОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННОГО ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ The opportunity of use heat sink for creation melt supersaturation, which is necessary for sti- mulation heterogeneous nucleation is shown, that allows to provide formation and growth of di- amond single crystals in the required points of a substrate. При выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента в ка- честве затравок обычно используются зерна алмазных шлифпорошков размером 0,3 – 0,5 мм, ориентированных к растворителю гранями {100} или {111}, от которых в дальнейшем про- исходит эпитаксиальный рост [1]. При большой плотности затравок (4.5 – 8 см-2) возникает необходимость стимулирования зародышеобразования в заданных точках равномерно рас- положенных на поверхности подложки, так как размещение и ориентирование затравочных кристаллов на подложке трудоемко, занимает много времени и значительно увеличивает стоимость выращенных кристаллов. Использование стимулированного зародышеобразова- ния позволяет значительно упростить технический процесс сборки ячеек, предназначенных для выращивания одновременно большого количества образцов размером 0,1 – 0,3 ct, а также повысить качество кристаллов за счет отсутствия дефектного слоя на них в местах контакта с затравочной плоскостью. В данной работе для стимулирования зародышеобразования алмаза нами были ис- пользованы материалы, теплопроводность которых значительно превышает величину тепло- проводности материала подложки (табл.1), чем обеспечивается необходимый теплоотвод в заданных местах подложки и происходит зарождение и дальнейший рост монокристаллов алмаза [2]. Для обеспечения такого способа инициирования кристаллизации в рабочем объе- ме ячейки в местах контакта подложки со сплавом-растворителем располагались цилиндри- ческие теплостоки, выполненные из никеля, карбида кремния, карбида бора и графита. 285 Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ Таблица 1. Теплопроводность материалов, применяемых в качестве теплостоков Используемые материалы Теплопроводность при 1000 оС, λ [Вт/м⋅К] графит 21 B4C 13 Ni 60 SiC 16 Материал подложки 1,3 Материалы для изготовления теплостоков выбраны на основании экспериментальных данных, полученных в работах по стимулированию зародышеобразования, и на основе дан- ных о теплопроводности материала. [3] В подложке размещались теплостоки диаметром 0,5 – 1,5 мм, изготовленные из графита, карбида бора и карбида кремния. На подложке также располагались 2 – 3 затравочных кристалла алмаза, изолированные платиной от металла-растворителя (Fe-Ni 64/36 атомных процентов). Время выращивания варьировалось от 23 до 47 ч. Температура в ростовой ячейке 1390 – 1400оС. Результаты экспериментов по применению теплостоков различных типов приведены в табл. 2. Таблица 2. Результаты экспериментов по применению теплостоков различных типов На рис. 1, 2 показаны образцы до химической обработки и после частичной химиче- ской обработки (кратковременное травление, недостаточное для выпадения кристаллов) со- ответственно. Материал теп- лостока Скорость алмазообра- зования, мг/ч Скорость роста, мг/ч Габитус полученных кристаллов B4C 6,5 1,18 Октаэдрический, кубооктаэдрический SiC 8,7 1,75 Кубооктаэдрический Графит 9 2,7 Кубооктаэдрический Ni 9,5 2,8 Получены кристаллы цилиндрической фор- мы hBN 10,24 2,79 Кубооктаэдрический Д максим суммар отдельн сталлы примен ных зат ченных К П рости а с синте дельны тельное октаэдр бида бо ления т меси бо РАЗДЕ Для оценки мальная ско рная скорос ных монок имеют ку нении тепл травках об х путем сти Карбид бо При испол алмазообра езом на зат ых монокри е паразитно рический л ора в метал теплостоко ора в резул ЕЛ 2. СИНТЕ Рис. 1. б Рис. 2. О б) п и эффекти орость рос сть роста в кристаллов убооктаэдр остоков, м ычным спо имулирован ора В4С ьзовании к азования и травке. Ско исталлов д ое спонтан либо кубоок лле. Криста ов, имеют з льтате части ЕЗ, СПЕКАНИ а Образец № б) после ча а Образец № после част ивности рос ста отдельн всех крист 1,3 мг/ч. С рический г может отли особом. На нного зарод карбида бо скорость р орость алм остигает 1 нное образо ктаэдричес аллы синте зеленый от ичного рас ИЕ И СВОЙС 286 № 9: а) без х астичной хи № 18: а) без тичной хими ста алмазо ных монок таллов на п Скорость а габитус, од ичаться от а рис. 3 пр дышеобраз ра в качест роста отдел мазообразов ,18 мг/ч. В ование. По ский габиту езированны ттенок. Это творения т СТВА СВЕРХ химической имической б химическо ической обр ов применя кристаллов подложке [ алмазообраз днако форм формы кр редставлены зования с п тве теплост льных моно вания дост Во всех эк олученные ус. Наблюд ые с примен о, возможн теплостоков ХТВЕРДЫХ М б й обработк обработки б ой обработ бработки. ялись следу и скорост [4]. Максим зования 5 ма кристал ристаллов, ы образцы рименение токов набл окристалло тигает 6,5 м ксперимент отдельные дается част нением кар но, обуслов в. МАТЕРИАЛОВ ки; и. тки; ующие хар ть алмазоо мальная ск – 11 мг/ч. ллов, выра выращенн монокрист ем теплосто людается сн ов алмаза п мг/ч, скоро тах наблюд е монокрис тичное раст рбида бора влено вхож В рактеристик бразования корость рос Обычно кр ащенных п ных на алм таллов, пол оков. нижение ск по сравнен ость роста далось знач сталлы име творение к а для изгото ждением пр ки: я – ста ри- при маз- лу- ко- ию от- чи- еют ар- ов- ри- Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 287 Карбид кремния SiC Использование карбида кремния в качестве материала для изготовления теплостоков позволило получить более высокие скорости роста монокристаллов алмаза – до 1,75 мг/ч, скорость алмазообразования также выше, до – 8,7 мг/ч, однако, как и в предыдущей серии экспериментов, значительное образование друз в большинстве экспериментов. Габитус по- лученных кристаллов преимущественно кубооктаэдрический, полученные монокристаллы хорошего качества, однако образование друз возможно на всех этапах роста. Рис. 3. Образцы монокристаллов, полученных путем стимулированного зародышеобразования с применением теплостоков. Применение графитовых теплостоков для стимулирования зародышеобразования В предыдущих экспериментах по зародышеобразованию на карбидных теплостоках рассматривалась возможность гетерогенной нуклеации [5] на инородных частицах карбидов. При применении графитовых теплостоков возможна реализация механизма зародышеобра- зования, описанного в коллоидной теории нуклеации алмаза [5]. Возможно также частичное растворение теплостоков в металле-растворителе. Скорость алмазообразования при применении графитовых теплостоков составляет до 9 мг/ч, скорость роста отдельных монокристаллов возросла до 2,7 мг/ч. Полученные кри- сталлы преимущественно имеют кубооктаэдрический габитус. На графитовых теплостоках не наблюдалось двойникование. Это, возможно, связано с тем, что при частичном растворе- нии теплостоков нуклеация происходит в ограниченном объеме, что значительно снижает вероятность двойникования, так как даже при образовании нескольких кристаллов на одном теплостоке происходит отбор и дальнейший рост того кристалла, для которого сложились наиболее благоприятные условия. Графитовые теплостоки оказались более подверженными растворению, чем карбидные, однако полученные результаты позволяют предположить пер- спективность использования графита в качестве материала для теплостоков. Применение гексагонального нитрида бора для изготовления теплостоков Проведена серия экспериментов, в которой в качестве материала для изготовления тепло- стоков был использован гексагональный нитрид бора, обладающий аналогичными графиту фи- зическими свойствами. В этих экспериментах реализуется механизм стимулирования гетеро- генного зародышеобразования в отличие от применения графитовых теплостоков, для которых, наряду с гетерогенной, также применима коллоидная теория зародышеобразоваия. Как и в пре- дыдущих экспериментах, возможно частичное растворение теплостоков в сплаве-растворителе. Применение металлических (никелевых) теплостоков для стимулирования заро- дышеобразования. Следующая серия экспериментов по стимулированию гетерогенного образования ал- маза в области термодинамической стабильности была проведена с использованием никеле- вых теплостоков диаметром 0,5 мм. РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 288 При использовании никелевых теплостоков скорость алмазообразования составляла до 9,5 мг/ч скорость роста отдельных монокристаллов до 2,8 мг/ч. В отличие от предыдущих экспериментов, где наблюдалось частичное растворение материалов теплостока в металле- растворителе, здесь имело место контактное плавление на границе раздела никель – металл- расворитель и попадание металла в систему нагрева ячейки АВД. Это оказывало крайне не- гативное влияние на процесс синтеза, так как приводило к алмазообразованию в системе на- грева, изменению электросопротивления и падению градиента температур. Для предотвра- щения этого явления нужно изолировать никелевые теплостоки от контакта с системой на- грева, но это, в свою очередь, значительно снижает теплоотвод и не обеспечивает необходи- мого снижения температуры в заданных местах подложки. В этой серии экспериментов впервые были обнаружены монокристаллы алмаза ци- линдрической формы, выросшие в объеме растворенных теплостоков. Один из кристаллов представлен на рис. 4. Рис. 4. Цилиндрический монокристалл алмаза, полученный при использовании теплостоков, изготовленных из никеля. Выводы Во всех проведенных экспериментах установлено, что зародышеобразование проис- ходит на всех видах теплостоков. В некоторых случаях наблюдается также параллельный рост монокристаллов на затравке и на теплостоках Стимулирование зародышеобразования, которое осуществляется за счет теплоотвода по теплостокам из SiC, В4С, графита и никеля и часто приводит к последующему росту друз, состоящих из достаточно крупных кристаллов. Рост друз приводит к перераспределению углерода, поступающего от источника, что значительно снижает скорость роста единичных монокристаллов алмаза. Также наблюдался рост кристаллов с различной скоростью, в зави- симости от расстояния от центра подложки до периферии – сказывается влияние радиально- го температурного градиента в растворителе при большой плотности растущих кристаллов. Литература 1. Сверхтвердые материалы. Получение и применение. Монография в 6 т. / Под общей ред. Н. В. Новикова. Т. 1. – Синтез алмаза и подобных материалов/ Отв. ред. А. А. Шульжен- ко. – К.: ИСМ им. В. М. Бакуля. ИПЦ «Алкон» НАНУ, 2003. – 320 с. 2. Wang Siqing, Lu Haibo, Ma Fukang, Mu Yufeng. Heterogeneous nucleation of diamond under high static pressure and high temperature // Journal of Crystal Growth. – 1996 – 162. p. 69-72. 3. Дульнев Г. Н., Заричняк Ю. П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов: Справочник. – Л.: Энергия, 1974. – 264 c. 4. Strong H. M., Chrenko R. M. Further studies on diamond growth rates and physical properties of laboratory-made diamond // J. Phys. Chem. – 1971. –75, N 12 – P. 1838 – 1843. 5. Н. В. Новиков, Д. В. Федосеев, А. А. Шульженко, Г. П. Богатырева. Синтез алмазов. – К.: Наук. думка, 1987. – 160 с. Поступила 10.07.07

Ähnliche Einträge