Закономірності гетерогенного зародкоутворення при вирощуванні монокристалів алмазу методом температурного градієнту без використання алмазних затравок

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи выращивания монокристаллов алмаза методом температурного градиента без использования алмазных затравок путем инициирования гетерогенного зародышеобразования.

Установлено, что для эффективного инициирования гетерогенного зародышеобразования перспективным является применение некарбидообразующих растворителей углерода, таких как никель, который в результате контактного плавления приводит к локальному пресыщению металла-растворителя Fe-Ni углеродом за счет локально изменения состава сплава-растворителя.

Установлен эффект влияния структуры графита на процесс зародышеобразования алмаза и его роста при использовании метода температурного градиента.

В работе показано, что эффективное инициирование зародышеобразования алмаза при выращивании монокристаллов происходит при использовании инициаторов зародышеобразования диаметром менее 0,7 мм. Использование инициаторов зародышеобразования диаметром более 0,7 мм значительно увеличивает процент друз и двойников.

Установлено, что в качестве алмазоподобных структур использовался гексагональный нитрид бора, который в условиях высоких давлений и температур (6 ГПа, 1400 С) переходил в кубический. Применение гексагонального нитрида бора для инициирования гетерогенного зародышеобразования алмаза при выращивании алмаза возможно, однако менее эффективно, чем использование графита.

Установлено, что применение карбида кремния и карбида бора приводит к активному зародышеобразованию и в дальнейшем ведет к росту двойников и друз. Применение этих материалов для инициирования зародышеобразования при выращивании монокристаллов алмаза менее эффективно.

Показано, что при инициировании зародышеобразования с пресыщением углеродом из углеродосодержащих концентраторов зародышеобразования на плоскости подложки происходит образование новых простых форм алмаза, которые являются результатом процесса растворения одноименных простых форм растворения - (047), (123), (127), (134), (135), (145), (149), (345) и (469).

Определено, что минимальная энергия зародышеобразования при использовании конических концентраторов соответствует углу конуса 40-60 и получен стабильный эффект инициирования зародышеобразования алмаза.

Показано, что основное направление роста кристаллов в ограниченном цилиндрическом объеме совпадает с осью симметрии четвертого порядка L₄, и определено, что скорость роста около 0,1 мм/час позволяет получать качественные цилиндрические монокристаллы алмаза. Показано, что увеличение линейной скорости роста монокристаллов алмаза цилиндрической формы от 0,1 мм/ч до 0,15 мм/ч приводит к снижению прочности на сжатие кристаллов от 1527 Н/мм² до 682 Н/мм² Разработаны рекомендации для выращивания монокристаллов алмаза заданного размера и формы.

Ключевые слова: гетерогенное зародышеобразование, монокристалл, алмаз, графит, концентратор зародышеобразования, карбид, углерод.

ABSTRACT

Serga M. A. Regularities of heterogeneous nucleation in the course of growing of diamond single crystals by the method of temperature gradient without usage of diamond seed. - Manuscript.

Dissertation for the Candidate of Science (Eng.) degree in speciality 05.02.01 - Materials Science. - V. Bakul Institute for Superhard Materials, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

Thesis is devoted to the solution of the actual scientific and technical task of growing of diamond single crystals by the method of temperature gradient without usage of diamond seed by means of initialization of heterogeneous nucleation. It was determined that critical satiety of alloy-solvent by carbon, which is required for initialization of diamond nucleation, can be possibly created by means of usage of carbon solvents, which do not form carbides, nickel for example.

There was determined the effect of influence of graphite structure on the process of diamond nucleation and its growth when using the method of temperature gradient. It was defined that minimal energy of nucleation when using conical concentrators corresponds to 40-60 angle of cone and there was achieved a stable effect of initialization of diamond nucleation.

It was indicated that basic direction of diamond crystals growth in the limited cylindrical volume coincides with the axis of symmetry of the fourth order L₄, and it was defined, that about 0,1 mm/hour speed of growth allows to get high-quality cylindrical diamond single crystals.

Recommendations for growing of diamond single crystals of a set size and form were worked on.

Keywords: heterogeneous nucleation, single crystal, diamond, graphite, concentrator of nucleation, carbide, carbon.

Размещено на Allbest.ru