Расчет температурного поля и массопереноса углерода при выращивании монокристаллов алмаза в расплаве металлов

Расчет температурного поля и массопереноса углерода при выращивании монокристаллов алмаза в расплаве металлов

Кристаллизацию алмаза в области термодинамической стабильности с применением металлов-растворителей следует классифицировать как процесс фазовых превращений углерода в расплавах металлов.

Основным методом выращивания монокристаллов алмаза на затравке является метод Стронга— Венторфа, разработанный в 1970—1971 гг. [1, 2]. Перепад температуры между источником углерода и затравкой обычно составляет от нескольких единиц до нескольких десятков градусов; величина градиентов температуры при этом изменяется от 2 до 20 град/мм [3, 4]. Перепад температуры между источником углерода и затравкой, величины осевых и радиальных градиентов температуры обычно подбираются экспериментально, что достаточно трудоемко и требует много времени. Основным материалом нагревателя является графит. Резистивные свойства различных марок графитов отличаются незначительно, поэтому возникают проблемы при задании конфигурации нагревательной системы реакционной ячейки, если требуется изменить величину осевого или радиального градиента температуры или их соотношения.

Расширить класс резистивных материалов позволяет использование композиционных материалов из мелкодисперсных смесей графита с оксидами магния, алюминия, циркония. Такие композиты можно изготавливать путем прессования и термической обработки при атмосферном давлении соответствующих смесей в соотношении, обеспечивающем необходимое значение удельного сопротивления материала. Для улучшения технологии изготовления и повышения прочности изделий из дисперсно-композиционных материалов применяют связующие вещества, например жидкое стекло, силикатный клей, каучук. Достаточно хорошие результаты удается получить при использовании в качестве электропроводной составляющей дисперсно-композиционных материалов нанопо-рошков, полученных термической обработкой интер-калированных графитов [5].

Применение дисперсно-композиционных материалов для формирования резистивной системы нагрева ячеек позволяет значительно упростить процесс задания распределения температуры в реакционном объеме. Особенно эффективно использование методов компьютерного моделирования потенциальных и тепловых полей. Эти методы подробно изложены ранее [6, 7]; они позволяют путем поэтапного моделирования изучить распределение температуры в ячейке и выполнить расчет полей концентраций углерода.

Рассмотрим этот подход на примере используемой нами ростовой ячейки для аппарата высокого давления типа тороид (диаметр полости высокого давления составляет 40 мм).

Схема ячейки для выращивания монокристаллов алмаза на затравке представлена на рис. 1. Нагрев ячейки осуществляется электрическим током через токоподводы 7, 75, трубчатый нагреватель 8, конфигурационные и нагревательные диски 3—5, и 11—13. В стационарном режиме в реакционной ячейке устанавливается тепловое поле с перепадом температуры между источником углерода и кристаллом-затравкой 10— 40 °С. Рост алмаза осуществляется на кристалле-затравке путем диффузии углерода через слой металла-растворителя. Поскольку растворимость углерода прямо пропорциональна температуре, то скорость