Макронеоднородность кристаллов

Под макронеоднородностью следует понимать неоднородность свойств кристалла, вызванную неоднородным распределением микродефектов. Макронеоднородность проявляется прежде всего как неоднородность показателей преломления и коэффициента поглощения кристалла. В лазерных кристаллах, содержащих значительное количество примеси активатора, следует прежде всего рассматривать неоднородность распределения примеси и неоднородность, вызванную отклонением от стехиометрии.

В рубине, выращенном методом Вернейля, основной является осевая макронеоднородность, появляющаяся в результате неравномерной подачи примеси с шихтой. Такая концентрационная неоднородность визуально проявляется как полосчатость окраски стержней рубина.

При выращивании методом Чохральского типичной неоднородностью является ростовая полосчатость, возникающая из-за вращения кристалла в неоднородном температурном поле или из-за колебаний параметров, характеризующих процесс роста кристалла. Ростовая полосчатость создает осевую неоднородность, которая не слишком «опасна» для лазерных элементов, так как не приводит к

искажению фронта волны генерируемого излучения, т.е. не создает концентрационной линзы. Ростовую полосчатость можно подавлять, усиливая перемешивание или уменьшая температурный градиент, что не всегда возможно. Например, снижение градиента температуры нежелательно при выращивании ИАГ, так как это способствует развитию так называемого «объемного дефекта» [48 - 50]. Ускорение перемешивания при сохранении скорости вращения можно получить, увеличивая относительный объем тигля, применяя тигли с отношением диаметра к высоте больше единицы (3 или 2), что не всегда возможно.

Основной формой макронеоднородносги в ИАГ, выращенных методом Чохральского, является «объемный дефект» (проявление так называемого гранного роста). Этот дефект проявляется как оптическая неоднородность при взгляде вдоль оси роста, имеющая вид 4-, 3-и 2-лепестковой розетки («фасетки») в зависимости от того, какая ось симметрии (4-, 3- или 2-го порядка) совпадает с направлением роста кристалла. Неоднородность этого типа проявляется и в поглощении света, и в неоднородности термолюминесценции. Очевидная связь объемного дефекта с симметрией кристалла указывает на его связь с гранным ростом кристалла. Действительно, при отрыве кристалла ИАГ от расплава можно видеть на фронте кристаллизации участки плоских граней

Грани ромбододекаэдра - и тетрагонтриоктаэдра - являются простыми формами точечной группы и образуют наиболее распространенные формы кристаллов гранатов. Поэтому, когда при выращивании из расплава методом Чохральского ориентация поверхности фронта кристаллизации оказывается близкой к граням этих простых форм, кристалл в этой части фронта кристаллизации ограняется гранями соответствующей простой формы (рис. 2.10). Для зарождения граней в ИАГ требуется меньшее переохлаждение, чем для граней поэтому является предпочтительной формой роста. На ограненном участке растущего кристалла механизм роста

Рис. 2.10. Сеченне фронта кристаллизации граната плоскостями одной из простых форм

соответсгвует развитию плоской грани (-грани), а на неограненных рост идет по механизму шероховатой грани (А-грани). При шероховатом росте примесь входит более равномерно. При росте -грани примесь активнее оттесняется на периферию граней. В результате изменения механизма вхождения примеси меняются коэффициент распределения примеси, параметр решетки, кристалл растет механически напряженным [48]. В ИАГ в области фасеток отмечалось увеличение концентрации примеси неодима и концентрации вакансий кислорода [49, 50]. Как следствие этого, в области центрального дефекта резко ухудшаются генерационные характеристики кристалла. Эти области кристалла оказываются практически непригодными для генерации света и удаляются при раскрое були. Попытки полностью устранить объемный дефект при росте ИАГ успеха не принесли [50]. Однако можно дать некоторые рекомендации по локализации центрального дефекта. Замечено, что центральный дефект становится меньше, а область вблизи него оказывается менее напряженной при выращивании кристалла вдоль направления Локализации гранного роста должен способствовать «уход» положения фронта кристаллизации от положения граней Как следует из рис. 2.10, приближение фронта кристаллизации к плоской форме («уход» фронта кристаллизации от положения плоскостей должно затруднять образование центрального дефекта. Следовательно, уменьшению центрального дефекта способствует увеличение скорости вращения кристалла (для ИАГ до 150 об/мин вместо обычных 30-50 об/мин).

Локальными макродефектами, т.е. дефектами, размер которых много больше размера атома, чаще всего являются выделения второй фазы, образуемые ионами основных компонентов (например, ) или ионами примеси, включения материала контейнера, газовые пузыри.

Образование макродефектов, их вид и состав зависят от условий кристаллизации, состава шихты, материала контейнера, состава газовой атмосферы. Причинами образования макродефектов в кристаллах системы являются:

1. Изменение стехиометрии расплава из-за потери кислорода при выращивании кристаллов в вакууме или восстановительной атмосфере.

2. Перенос материала контейнера в расплав, что особенно сильно проявляется при выращивании кристаллов из молибденовых контейнеров.

3. Длительная выдержка расплава при температурах, близких к температуре кристаллизации (состав кристалла нарушается из-за селективного испарения), или переохлаждение расплава.

4. Избыточное содержание примеси-активатора.

5. Распад твердого раствора при длительном высокотемпературном отжиге.

Важнейшим процессом, определяющим образование макровключений, является нарушение состава расплава из-за реакций термической диссоциации соединений, составляющих расплав, и взаимодействие продуктов этой реакции с материалом контейнера, газовой атмосферой и кристаллом. Одним из следствий термической диссоциации оксидов в расплаве является образование газовых пузырей, которые скапливаются на фронте кристаллизации и могут захватываться растущим кристаллом. Другим следствием является повышение реакционной способности расплава по отношению к материалу контейнера. Тугоплавкие материалы, из которых могут быть изготовлены контейнеры для выращивания оксидных кристаллов, имеют различную стойкость по отношению к оксидам Эта стойкость убывает в ряду Стойкость контейнера сильно зависит от состава атмосферы. Кроме иридия в качестве материала контейнера часто используется молибден. Сам молибден практически не взаимодействует с , но присутствие свободного кислорода в реакционной зоне приводит к окислению молибдена и переходу его в расплав оксидов в виде Однако присутствие в расплаве, содержащем , вследствие термической диссоциации ионов обладающих сильной восстановительной способностью, приводит к восстановлению и выделению молибдена в виде твердой металлической фазы, частицы которой могут захватываться растущим кристаллом.

В образовании газовых включений существенную роль может сыграть присутствие в шихте и газовой среде примесей углерода и водорода. В частности, образование пузырей при выращивании кристаллов методом Вернейля объясняют растворением в кристалле газообразного водорода и воды. Присутствие в шихте углерода может быть причиной образования в расплаве газообразных соединений а при участии водорода - и Пересыщение расплава этими газами приводит к их выделению в виде пузырей и захвату растущим кристаллом.

Распределение газовых пузырей в кристалле зависит от условий выращивания. Кроме хаотичного распределения могут возникать ростовая полосчатость и ячеистая структура. Ростовая полосчатость связана с колебаниями условий кристаллизации. Захват твердых и газовых включений, оттесняемых фронтом кристаллизации, происходит во время ускорения движения фронта. В результате возникают области с повышенной плотностью включений, по форме повторяющие форму изотермы кристаллизации. При выращивании кристалла методом Чохральского периодичность полос роста может задаваться вращением кристалла, колебанием скорости подъема, колебанием мощности нагревателя и т.д. Размер частиц и газовых пузырей, захватываемых кристаллом, определяется амплитудой колебания

жима: чем большее расстояние проходит фронт за время одной флуктуации режима, тем большего размера включение может быть захвачено кристаллом. Поскольку рост амплитуды колебаний режима кристаллизации обычно коррелирует с ростом скорости движения фронта кристаллизации, то и размер захватываемых включений обычно возрастает с ростом скорости кристаллизации.

Размер частиц, захватываемых кристаллом из-за колебаний температуры, зависит от градиента температуры на фронте кристаллизации: при данном колебании температуры перемещение фронта кристаллизации меньше, чем больше градиент температуры. Следовательно, с ростом критический размер включений, захватываемых в результате температурных флуктуаций, должен уменьшаться.

Другой важнейшей причиной захвата примесей и включений является концентрационное переохлаждение, которое порождает не только ростовую полосчатость, но и ячеистую структуру. Ячеистая (фасетная) структура характерна для кристаллов всех соединений системы выращиваемых из расплава. Ячеистая структура возникает в тех случаях, когда расплав содержит включения, а фронт кристаллизации не гладкий (имеет выступы).

Примеси и включения оттесняются фронтом кристаллизации, и вблизи поверхности роста образуется слой расплава, обогащенный примесями и включениями. Температура ликвидуса в этом слое понижается и любые выступающие части поверхности раздела кристалл

- расплав ускоряют рост кристалла, а впадины - замедляют, так как находятся в контакте с более переохлажденным расплавом. В результате примеси и включения оттесняются во впадины и затем захватываются кристаллом. Кристалл растет в виде сростка параллельных столбиков. Таким образом возникает ячеистая структура. Снижению вероятности образования ячеистой структуры способствует повышение градиента температуры, так как это сглаживает фронт кристаллизации. В частности, в ИАГ ячеистая структура обычно возникает при