РАЗДЕЛ 2.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Аппараты высокого давления (АВД) типа "тороид"
Для выращивания монокристаллов алмаза в области термодинамической стабильности применяются различные АВД: типа "тороид", типа "бэлт", многопуансонные аппараты или безпрессовые аппараты типа "барс" (или "разрезная сфера").
Техническую базу для выращивания монокристаллов алмаза в ИСМ представляет аппарат типа "тороид", поэтому конструкция этих аппаратов будет рассмотрена подробнее.
Изначально аппарат типа "тороид" предназначался для выращивания и спекания СТМ при давлениях 8-9 ГПа. Применение этого типа аппарата для роста больших монокристаллов алмаза стало возможно по следующим причинам:
- в аппарате типа "тороид" надежно удерживается давление в реакционном объеме при длительных процессах выращивания алмазов;
- уплотнительная система аппарата позволяет достаточно просто и надежно вводить в реакционный объем электроды термопар;
- аппарат позволяет регулировать эффективность создания давления за счет изменения размеров и материалов деталей уплотнения, контейнера и реакционного объема.
На рис. 2.1 приведена схема аппарата высокого давления типа "тороид", применяемого для выращивания алмазов. Матрица аппарата (рис. 2.2) изготовлена из сплава ВК6 и запрессована с натягом в блок предварительно напряженных колец [91].
Рис. 2.1. Общая схема АВД типа "тороид" для выращивания монокристаллов алмаза:
1) матрица;
2) блоки поддерживающих колец;
3) уплотнение тороидальной полости;
4) контейнер АВД;
5) растущий монокристалл алмаза
Для создания усилия в АВД типа "тороид" использовалось стандартное прессовое оборудование производства Рязанского завода тяжелого машиностроения (Россия) - пресс ДО 044 усилием 25 МН с витой предварительно напряженной станиной, рабочим пространством между плитами оснований 420 мм и рабочим ходом 25 мм; плиты оснований комплектовались подкладной плитой (сталь Х12М) и опорной плитой из этой же стали с цилиндрической вставкой из твердого сплава ВК15 диаметром 120 мм. Специальная конструкция опорных плит обеспечивает их эффективное охлаждение и позволяет обеспечивать максимальную температуру на задней торцовой поверхности блок-матриц не более 200 ?С при температуре в центре ростовой ячейки 1600 °С.
Рис. 2.2. Блок-матрица для АВД типа "тороид" с углублением в виде сферического сегмента диаметром 40 мм:
1 - матрица из твердого сплава марки ВК6;
2 - внутреннее кольцо из стали 35ХГСА, ГОСТ 4543-71;
3 - промежуточное кольцо из стали 35ХГСА, ГОСТ 4543-71;
4 - внешнее кольцо из стали 35ХГСА, ГОСТ 4543-71
В АВД типа "тороид" для изготовления контейнеров, которые обеспечивают формирование сжимаемой прокладки, используется литографский камень. Этот материал существенно отличается по своим свойствам (сжимаемость, теплопроводность, значение сдвиговых напряжений, термостойкость) от пирофиллита, используемого для АВД типа "бэлт" или многопуансонных аппаратов. Поэтому методические подходы в отношении конструирования ростовых ячеек и контейнеров, в которые они помещаются, существенно отличаются от известных в литературе. Термостойкость блочного литографского камня (табл. 2.1, п. 1) обусловлена значением температуры начала фазового превращения кальцит - арагонит, которое с увеличением давления уменьшается от 900 ?С (при атмосферном давлении) до 300 ?С при 6,5 ГПа. Прессованный литографский камень имеет термостойкость 220 ?С, обусловленную температурой устойчивости бакелитового лака - связки, применяемой для прессования.
Таблица 2.1
Материалы для изготовления ростовых ячеек, контейнеров, и высокотемпературных ячеек для АВД "тороид"
№Название материалаНазначениеСвойства1.Литографский камень блочныйФормирование сжимаемой прокладки при нагружении АВДТермостойкость до 300 ?С, пористость 15 %2.Литографский камень прессованныйТороидальное кольцо, обеспечивающее запирание полости высокого давленияТермостойкость до 220 ?С, пористость 12 %3.Пирофиллит прессованныйТеплоизоляция ростового объема, наружный слойТермостойкость до 750 ?С, пористость 9 %4.Хлористый цезийТеплоизоляция ростового объема, внутренний слойТермостойкость до 1800 ?С (р = 6.5 ГПа)5.Смесь диоксида циркония с графитом Резистивные элементы, обеспечивающие градиенты температурыТермостойкость до 2500 ?С (р = 6,5 ГПа),
пористость 1 % 6.Графит ГСМ-1Изготовление деталей системы нагрева контейнера АВДТермостойкость до 3000 ?С (р = 6,5 ГПа)
Предельное значение температуры для деталей из пирофиллита (табл. 2.1, п. 3) составляет 750 ?С, выше которой наблюдается превращение его в муллит с уменьшением объема. Хлористый цезий имеет высокую температуру плавления (1800 ?С при 6,0 ГПа), низкую теплопроводность, высокую пластичность, обеспечивающую высокий уровень гидростатичности среды, передающей давление, и высокий коэффициент термического расширения, благодаря чему при температурах выращивания полностью компенсируется эффект высокой сжимаемости хлористого цезия и сохраняется соотношение размеров деталей ростовой ячейки. Недостатком хлористого цезия в качестве изоляции является его рекристаллизационная способность при Т = 1400-1600 ?С, приводящая к увеличению зерен до размера 3-5 мм, в результате чего жидкий сплав-растворитель может вытекать из ростового объема по межзеренным границам и контактировать с графитовым нагревателем, что приводит к алмазообразованию на нагревателе и последующему изменению его резистивных свойств и конфигурации температурного поля.
В отличие от других АВД в аппарате типа "тороид" при выборе соответствующей геометрии контейнера не представляет сложности ввод термопары для измерения температуры непосредсвенно через деформационное уплотнение. При это нужно учитывать степень истечения материалов уплотнения и контенера.
2.2. Методы контроля температуры выращивания алмаза
При росте монокристаллов алмаза одним из важн