Закономірності кристалізації алмазу на затравці в розчин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-C - Автореферат

Сучасний рівень техніки і технологій вирощування монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності дозволяє одержувати структурно-досконалі кристали - оптично прозорі монокристали з періодом кристалічної гратки 0,356 нм та розміром частинок включень розчиннику, які не перевищують 1 мкм. Такі монокристали нині застосовуються для виготовлення різних інструментів високопрецизійної обробки, монохроматорів синхротронного рентгенівського випромінювання, оптичних вікон спектрометрів (основна вимога до таких кристалів - висока досконалість кристалічної структури, мінімальна кількість включень та напружень кристалічної гратки). Одним з варіантів вирощування монокристалів алмазу з контрольованою кількістю азоту, є використання розчинників з елементами-добавками, які дозволяють звязувати азот в розчиннику та обмежувати його надходження до кристалу. Встановити закономірності формування дефектно-домішкового складу та кінетичних особливостей росту монокристалів алмазу IIA та Ib типів при кристалізації алмазу на затравці в розчин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-C та розробити дослідно-промисловий спосіб вирощування монокристалів алмазу типу IIA. При вирощувані монокристалів алмазу методом температурного градієнту в ростових систем Fe-Co-Ti(Zr)-С на р,Т-діаграмі вуглецю вперше визначено області вирощування монокристалів алмазу різного ступеня структурної досконалості і встановлено, що якісні зміни процесу росту, повязані з різними температурними умовами кристалізації алмазу при Р= 5,5-6,1 ГПА - для скелетних та реберних форм росту Т = 1380-1520 °С, для структурно-досконалих монокристалів алмазу Т = 1460-1580 °С, для кристалів з підвищеною кількістю включень розчинника, Т = 1480-1680 °С.Нині відомо, що використання розчинників з добавками, які дозволяють звязувати азот в розчиннику та обмежують його надходження до кристалу є перспективним для отримання монокристалів алмазу із заданим дефектно-домішковим складом. Зроблено висновок, що процес вирощування алмазу в розчинниках на основі Fe-Co досліджено недостатньо і обґрунтована можливість застосування систем Fe-Co-Ti(Zr)-C для отримання структурно-досконалих монокристалів алмазу із заданим дефектно-домішковим складом, а також необхідність проводити процес вирощування при значно більших термобаричних параметрах. Дослідження з вирощування монокристалів алмазу на затравці для розчинників різного складу показали, що в розчинниках Fe40-Co60, Fe45-Co55, Fe50-Co50, Fe55-Co45 та Fe60-Co40 мас. % дозволяє отримати монокристали алмазу типу ІІА з вмістом азоту менше 5 ppm; кристали алмазу типу ІІА можливо вирощувати і при вмісті титану в розчиннику більше 3,60 ат. В результаті проведених експериментальних робіт було встановлено закономірності кристалізації алмазу в рочин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-C, визначено вплив складу розчиннику на дефектно-домішкового складу та встановлено межі по тиску та температурі, які дозволяють задавати умови кристалізації структурно-досконалих монокристалів алмазу.В роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу вирощування структурно-досконалих монокристалів алмазу завдяки використанню розчин-розплавної системи Fe-Co-Ti(Zr)-C, вивчена кінетика їх росту та закономірності формування дефектно-домішкового складу, що дозволяє одержувати методом температурного градієнту кристали алмазів різних типів масою до 3 ct. Досліджено кінетику росту монокристалів алмазу в розчин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-С при оптимальних значеннях вісьових та радіальних градієнтів температури та встановлено, що підвищення температури вирощування призводить до збільшення швидкостей росту структурно-досконалих монокристалів на 12-19 % (кристали типів Ib та Ib IIB) та на 16-24 % (зразки типу IIA), порівняно з визначеними раніше значеннями для розчинників Fe-Ni-C та Fe-Al-C, відповідно та визначено, що збільшення швидкостей росту повязане з тим, що вирощування при високих температурах поліпшує характеристики поверхневої дифузії та призводить до збільшення швидкостей забудови атомарних площин. При вирощувані монокристалів алмазу методом температурного градієнту в ростових систем Fe-Co-Ti(Zr)-С на р,Т-діаграмі вуглецю вперше визначено області вирощування монокристалів алмазу різного ступеня структурної досконалості і встановлено, що якісні зміни процесу росту, повязані з різними температурними умовами кристалізації алмазу при Р= 5,5-6,1 ГПА - для скелетних та реберних форм росту Т = 1380-1520 °С, для структурно-досконалих монокристалів алмазу Т = 1460-1580 °С, для кристалів з підвищеною кількістю включень розчинника, Т = 1480-1680 °С. Вперше встановлено, що в розчинниках Fe-Co-Ti(Zr) під тиском 5,5 - 6,1 ГПА при підвищенні температури від 1380 до 1700 °С спостерігається зміна габітусу монокристалів алмазу в послідовності кубоктаедричний ® тетрагонтриоктаедр-октаедричний ® октаедричний, яка обумовлена зміною сукупності факторів - ступеня пересичення вуглецем метала-розчинника в залежності від температури та розподілу температурних градієнтів в реакційному просторі.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу вирощування структурно-досконалих монокристалів алмазу завдяки використанню розчин-розплавної системи Fe-Co-Ti(Zr)-C, вивчена кінетика їх росту та закономірності формування дефектно-домішкового складу, що дозволяє одержувати методом температурного градієнту кристали алмазів різних типів масою до 3 ct.

Результати проведених робіт дозволяють зробити наступні висновки: 1. Досліджено вплив добавок Ti (1,80 - 5,40 ат. %) і Zr (0,65 - 6,30 ат. %) на особливості росту монокристалів алмазу та їх дефектно-домішковий склад і встановлено, що збільшення вмісту добавок титану або цирконію в межах від 1,80 до 3,60 ат. % і від 0,65 до 2,55 ат. %, відповідно, приводить до зміни типу кристалів в послідовності Ib ® Ib IIB ® IIA (згідно фізичної класифікації), при цьому вміст домішки азоту змінюється від 30 - 35 до < 5 ppm. Зменшення вмісту азоту в кристалах відбувається внаслідок зменшення його в розчині-розплаві за рахунок взаємодій Ti N® TINX (Zr N®ZRNX), шляхом звязування в азотовмісні комплекси титану та цирконію.

2. Досліджено кінетику росту монокристалів алмазу в розчин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-С при оптимальних значеннях вісьових та радіальних градієнтів температури та встановлено, що підвищення температури вирощування призводить до збільшення швидкостей росту структурно-досконалих монокристалів на 12-19 % (кристали типів Ib та Ib IIB) та на 16-24 % (зразки типу IIA), порівняно з визначеними раніше значеннями для розчинників Fe-Ni-C та Fe-Al-C, відповідно та визначено, що збільшення швидкостей росту повязане з тим, що вирощування при високих температурах поліпшує характеристики поверхневої дифузії та призводить до збільшення швидкостей забудови атомарних площин.

3. При вирощувані монокристалів алмазу методом температурного градієнту в ростових систем Fe-Co-Ti(Zr)-С на р,Т-діаграмі вуглецю вперше визначено області вирощування монокристалів алмазу різного ступеня структурної досконалості і встановлено, що якісні зміни процесу росту, повязані з різними температурними умовами кристалізації алмазу при Р= 5,5-6,1 ГПА - для скелетних та реберних форм росту Т = 1380-1520 °С, для структурно-досконалих монокристалів алмазу Т = 1460-1580 °С, для кристалів з підвищеною кількістю включень розчинника, Т = 1480-1680 °С.

4. Вперше встановлено, що в розчинниках Fe-Co-Ti(Zr) під тиском 5,5 - 6,1 ГПА при підвищенні температури від 1380 до 1700 °С спостерігається зміна габітусу монокристалів алмазу в послідовності кубоктаедричний ® тетрагонтриоктаедр-октаедричний ® октаедричний, яка обумовлена зміною сукупності факторів - ступеня пересичення вуглецем метала-розчинника в залежності від температури та розподілу температурних градієнтів в реакційному просторі.

5. Вперше встановлено, що в ростових системах Fe-Co-Ti(Zr)-С спостерігається утворення нових простих форм росту: (134), (127), (112), (469), (123), (047), (345), (223), (135), (145), (149), причому ініціювання росту нових граней відбувається при розчиненні затравочного кристалу до досягнення сплавом-розчинником рівноважного складу, після чого грань розчинення, що знаходиться найближче до джерела вуглецю, ініціює початок росту.

6. Вперше визначені концентрації вмісту титану та цирконію для вирощування монокристалів типів Ib, IIA, IIB й змішаного типу Ib IIB в розчинниках Fe-Co-Ti(Zr)-С при Р = 5,5 - 6,1 ГПА і Т = 1380 - 1600 °С та, за допомогою ІЧ-спектроскопії і вимірювання електроопору, показано, що змішаний тип є результатом секторіальної будови кристалів, які складаються з секторів росту Ib та IIB, що дозволяє вирощувати монокристали алмазу з контрольованим вмістом домішкового азоту та бору.

7. При виконанні дисертаційної роботи було проведено більше 100 експериментів з вирощування монокристалів алмазу в розчин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-С; тривалість одного циклу вирощування складала від 48 до 150 годин; в результаті отримано більше 150 зразків масою від 0,43 до 3, 74 ст, розроблено технологічний процес вирощування структурно-досконалих монокристалів алмазу типу ІІА масою 0,75 - 1,5 ct в розчин-розплавній системі Fe-Co-Zr-С, який випробувано в умовах Державного підприємства „Алкон-Діамант” і отримано позитивний висновок для його промислового використання.

Новые простые формы синтетических алмазов / В.В. Лысаковский, С.А. Ивахненко, М.Н. Серга, В.Н. Квасница // Сверхтвердые материалы. - 2006. - №5. - С 25-29. На основі аналізу вирощених монокристалів алмазу автором встановлено існування нових простих форм росту, визначені кристалографічні індекси граней, вивчена їх морфологія та висунуто припущення про механізм утворення цих граней як стабілізацію форм розчинення при досягненні відповідних значень насичення вуглецем сплаву-розчиннику.

Лысаковский В.В., Ивахненко С.А., Катруша А.Н. Влияние легирования титаном растворителя Fe-Co-C на содержание азота в монокристаллах алмаза, выращенных при высоких давлениях и температурах // Сверхтвердые материалы. - 2007. - №6. - С 38-44. Автор виконав експериментальні роботи по вирощуванню монокристалів алмазу при легуванні розчинників Fe-Co титанном, визначено межі концентрації Ті для одержання кристалів типів Ib і IIA та змішаного Ib IIB, проаналізовані результати ІЧ-спектроскопії одержаних кристалів та на основі цих даних розраховано кількість азоту в зразках, що одержані в різних умовах.

Ячейка аппарата высокого давления типа «бэлт» для работы при температуре до 2300 °С / В.В. Лысаковский, М.А. Серга, Т.В. Коваленко, С.А. Ивахненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология изготовления и применения. - 2007. -вып. 10. - С. 296-300. Розроблена методика вирощування і термобаричної обробки монокристалів алмазу в апараті високого тиску типу «белт» діаметром 40 мм; вибрані матеріали для формування теплоізоляційних деталей та резистивних елементів, визначені їх розміри та вдосконалено конструкцію комірки.

New growing edge of synthetic diamond single crystal / V.V. Lysakovsky, M.A. Serga, V.N. Kvasnista, S.O. Ivakhnenko, A.I. Markov, I.S. Belousov // International Conference “Crystal Materials’2005” (ICCM’2005). - 2005. -Kharkov, Ukraine. - P. 99. Автором визначений механізм утворення нових простих форм росту.

Utilization of graphite nanopowder for forming properties of heat element of the cell using for diamond single crystal growing / V.V. Lysakovsky, M.A. Serga, S.O. Ivakhnenko, A.I. Markov, I.S. Belousov // International Conference “Crystal Materials’2005” (ICCM’2005). - 2005. -Kharkov, Ukraine. - P. 100. Автор виконав оптимізацію складу резистивних елементів.

Патент на винахід № 200512707, Україна, МПК В01J 3/06, Н05В 3/12 Шихта для виготовлення нагрівача комірки високого тиску / В.В. Лисаковський, С.О. Івахненко, І.С. Білоусов, А.І. Марков - опубліковано 15.01.2007 - Бюл. № 1. Автор вдосконалив склад шихти для виготовлення резистивних елементів.

Деклараційний патент № 20040604528, Україна, МПК7 В01J 3/06, Шихта для виготовлення нагрівача комірки високого тиску / В.В. Лисаковський - опубликовано 07.01.2005. - Бюл. № 1.

Деклараційній патент № 200512707, Україна, МПК В01J 3/06, Н05В 3/12 Шихта для виготовлення нагрівача комірки високого тиску / В.В. Лисаковський, С.О. Івахненко, І.С. Білоусов, А.І. Марков - опубліковано 27.11.2006 - Бюл. № 6. Автор розробив шихту для виготовлення резистивних елементів при використанні дрібнодисперсних матеріалів.

Kovalenko T.V., Serga M.A., Lysakovskyi V.V., Shevchuk S.N. / Diamond single crystal obtained by the temperature gradient method at high pressure and high temperatures in Fe-Co-Ti-C system // International Conference “Crystal Materials’2007” (ICCM’2007). - 2007. - Kharkov, Ukraine. - P. 103. Автор визначив вплив добавки титану на дефектно-домішковий склад вирощуваних монокристалів алмазу.

Коваленко Т.В, Лисаковський В.В. / Закономірності спрямованого росту монокристалів алмазу, отриманих в системі Fe-Co-C // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2008: Збірник тез, 22-24 травня 2008 р, м. Львів. - С. 24. Автор встановив області формування монокристалів алмазу різного ступеня структурної досконалості.