Вампир

Вампир
Шифр эксперимента: Вампир
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Выращивание кристаллов соединений А2В6 из раствора во вращающемся магнитном поле
Цель эксперимента:

Получение в условиях микрогравитации полупроводниковых кристаллов CdZnTe из раствора в теллуре (или в кадмии) с высокой степенью однородности свойств, отвечающих следующим требованиям ТЗ.

Перечисленные требования определяют возможность получения из этих кристаллов подложек для эпитаксиальных слоев CdHgTe (x=0,04) или материала для датчиков ионизирующих излучений (x=0,1).

 

Описание эксперимента:

Результаты экспериментов, выполненных по программам «Фотон» и «Фотон -М», а также на борту долговременных орбитальных станций, в ходе которых в условиях космического полёта были выращены монокристаллы из расплавов с использованием вращающихся магнитных полей, подтвердили возможность получения в условиях микрогравитации кристаллов, сопоставимых с получаемыми в земных условиях.

Полученные на борту космических аппаратов высококачественные монокристаллы могут уже сейчас найти применение в различных приборах и устройствах.

Теперь задача состоит в использовании уникальных условий невесомости для получения практических результатов в улучшении качества получаемого материала.

Эта задача должна решаться в рамках долгосрочной программы, включающей в себя эксперименты на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС), автоматических КА типа «ОКА-Т» и »Фотон -М». На РС МКС может быть осуществлена отработка технологических процессов получения монокристаллов промышленных размеров с последующим внедрением этих технологий на оборудовании специализированных автономных космических аппаратов «ОКА-Т».

На первом этапе предполагается провести эксперименты по росту однородных кристаллов CdZnTe из раствора методом движущегося нагревателя. В космических условиях отсутствует или значительно ослаблена превалирующая на Земле термогравитационная конвекция, которая является причиной многих дефектов в кристаллах.

По мере уменьшения конвекционных потоков все большую роль в процессе массопереноса начинает играть диффузия, что приводит к существенному уменьшению микронеоднородностей структуры кристаллов. Кроме того, из-за отсутствия гидростатического давления изменяются условия взаимодействия расплава со стенками контейнера. В частности, отсутствие плотного контакта расплава со стенками и деформации кристалла под действием собственного веса создают благоприятные условия для уменьшения плотности дислокаций в растущем кристалле. Предполагается, что выращивание кристаллов Cd1-xZnxTe из раствора в условиях орбитального полёта с использованием вращающихся магнитных полей позволит получить кристаллы высокого качества. Применение метода движущегося нагревателя позволяет существенно снизить температуру процесса, что приводит к снижению числа термодинамических дефектов в кристаллической решетке. Использование вращающихся магнитных полей должно обеспечить равномерное распределение приборных свойств в объёме кристалла. Основанием для такого предположения являются результаты предыдущих исследований.

Предполагается также, что результаты К Э могут быть использованы для улучшения наземной технологии выращивания таких кристаллов, так как метод роста из раствора является перспективным для получения кристаллов CdZnTe.

 

Новизна эксперимента:

Рост однородных кристаллов твердых растворов соединений А2В6 и А3В5 считается одним из перспективных направлений космического материаловедения. Этот метод уже использовался при выращивании кристаллов в космосе.

Однако и здесь в некоторых случаях наблюдалась большая неоднородность свойств выращенных кристаллов. В настоящее время за рубежом исследования в этом направлении продолжаются. В частности, в Японии выполняется обширная программа теоретических исследований и наземных экспериментов по подготовке космических экспериментов по получению на японском модуле МКС однородных кристаллов In1-xGaxAs и Cd1-xZnxTe. Аналогичные эксперименты планируются европейскими учеными в рамках программы MAP. Поэтому планируемый эксперимент ВАМПИР соответствует новейшим направлениям в космическом материаловедении.

Получение кристаллов А2В6 методом движущейся зоны растворителя обладает рядом преимуществ по сравнению с методами выращивания из расплава [21]. Снижение температуры процесса определяет уменьшение количества собственных термодинамических дефектов в кристалле и загрязнение раствора материалом ампулы. В случае выращивания тройных твердых растворов метод позволяет получить кристаллы постоянного состава. Другим важным преимуществом метода является эффект очистки растущего кристалла от примесей, который наблюдается при использовании теллура в качестве растворителя. Недостатком метода является малая скорость роста, поэтому проведение таких экспериментов возможно только на долговременных КА.

Существенным отличием эксперимента ВАМПИР от планируемых за рубежом является использование вращающегося магнитного поля. Полученные ранее результаты космических экспериментов показывают необходимость управления процессами массопереноса в расплаве. Одним из возможных методов управления является использование вращающихся магнитных полей. Идея метода заключается в том, что в растворе возбуждается ламинарная стационарная конвекция, полностью определяющая массоперенос к растущей поверхности. В данном эксперименте предполагается изучить возможность управления процессами массопереноса в жидкой фазе с помощью вращающихся магнитных полей в условиях переменных во времени и по амплитуде динамических воздействий. При выбранной надлежащим образом величине магнитной индукции вынужденная конвекция является доминирующей и действием имеющихся на борту ПКК возмущений можно пренебречь. Отсутствие гидростатического давления в условиях микротяжести также должно привести к улучшению качества кристалла вследствие снижения термических напряжений при контакте кристалла со стенками контейнера.

Еще одним важным отличием предлагаемого эксперимента от проводимых ранее являются достаточно большие размерыг выращиваемых кристаллов (диаметр 25 мм). Известно, что увеличение размера кристаллов приводит не только к количественным, но и качественным изменениям в характере процесса роста. Поэтому нельзя отработать технологию получения кристаллов большого диаметра на малыгх образцах. Из изложенного следует, что предлагаемые эксперименты имеют приоритетное научное и практическое значение.

 

Научная аппаратура:

Для проведения КЭ «ВАМПИР» используется комплект научной аппаратуры (НА) «МЭП-01», предназначенной для выращивания кристаллов с использованием сменных НБ следующими методами: - зонной плавки; - объемной кристаллизации; - направленной кристаллизации (метод Бриджмена) и другими, производными от них.

Состав НА «МЭП-01»

- технологический блок (ТБ);

- систему управления (СУ);

- укладку с контейнерами с исходными для экспериментов материалами (образцами) и сменными носителями информации (СНИ).

Примечание

Контейнеры с образцами и СНИ являются расходными материалами для МЭП и поставляются отдельно для каждого сеанса/серии КЭ. Разработка и изготовление контейнеров, содержащих исходные материалы, для различных технологических процессов должна проводиться по отдельным ТЗ.

 

 

Ожидаемые результаты:

Исследования кристаллов, выращенных в космосе на КА "Фотон" методом движущегося нагревателя во вращающемся магнитном поле, показали, что имеются предпосылки получать в условиях микрогравитации материал с однородными электрофизическими свойствами. Вращающееся магнитное поле улучшает радиальную и осевую однородность свойств кристаллов. Поэтому ожидается, что свойства выращенных в космосе кристаллов будут иметь хорошую осевую симметрию, несмотря на воздействие остаточных ускорений и вибрации.

Проведенные расчеты показали, что имеется оптимальное значение индукции магнитного поля, при котором достигается наилучшая поперечная однородность состава кристалла. При увеличении магнитной индукции выше оптимального значения однородность состава должна ухудшаться. Результаты планируемых экспериментов позволят уточнить значение оптимальной величины магнитной индукции для данного процесса. Это позволило бы в дальнейшем ставить эксперименты по получению высококачественного однородного по составу кристалла CdZnTe в условиях микрогравитации, который мог бы быть эталоном для наземного производства.

Результаты этих работ могут быть использованы также для улучшения технологии производства кристаллов CdZnTe в промышленности.

Результаты планируемого КЭ должны также показать, что даже для гравитационно-чувствительных материалов имеется возможность избежать неблагоприятное воздействие динамических возмущающих факторов на борту ПКК. Этот эффект может быть достигнут путем целенаправленного активного воздействия на процесс роста кристаллов из жидкой фазы. Количественная оценка эффективности предлагаемого метода будет получена в результате металлографического анализа и исследования состава в объеме кристалла, а оценка влияния возмущающих факторов - из сопоставления с результатами измерений ускорений на борту ПКК.

 

Сроки проведения: 2017-2021 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Филиал ФГУП ЦЭНКИ-НИИСК
Организации участники: Институт физики твёрдого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Научный руководитель: Бармин И.В., КБОМ, генеральный директор – генеральный конструктор, член-корреспондент РАН, профессор
Публикации по эксперименту:

1. M.Salk, M. Fiederle, K.W. Benz, A.S. Senchenkov, A.V. Egorov, D.G. Matioukhin. CdTe and CdTe0.9Se0.1 Crystals Grown by the Travelling Heater Method Using a Rotating Magnetic Field. J. Crystal Growth 138 (1994) 161.

2. M.Fiederle, C. Eiche, W. Joergen, M.Salk, A.S.Senchenkov, A.V.Egorov, D. Ebling, K.W.Benz. Radiation Detector Properties of CdTe0.9Se0.1:Cl Crystals Grown under Microgravity in a Rotating Magnetic Field. Journal of Crystal Growth, 166 (1996), pp. 256-260.

3. Сенченков А.С., Царицына О.И., Крапухин В .В ., Томсон А.С . Рост кристаллов тройных соединений из раствора во вращающемся магнитном поле. Численное моделирование и сравнение с экспериментом. //Т руды 2-го Российского Симпозиума по процессам тепломассопереноса и росту монокристаллов и тонкопленочных структур, сентябрь 1997г., Обнинск, ФЭ И, с. 347-353.

4. Крапухин В.В., Сенченков А.С., Томсон А.С. Э кспериментальное исследование процессов кристаллизации CdxHg1-xTe из Te-раствора во вращающемся магнитном поле. //Т руды 2-го Российского Симпозиума по процессам тепломассопереноса и росту монокристаллов и тонкопленочных структур, сентябрь 1997г., Обнинск, ФЭ И, с. 240-246.

5. A.S.Senchenkov, I.V.Barmin, A.S.Tomson, V.V.Krapukhin. Seedless THM Growth of CdxHg1-xTe (x~0.2) Single Crystals within Rotating Magnetic Field. Journal of Crystal Growth, 197 (1999), pp. 552-556.

6. A.S.Senchenkov, I.V.Barmin. Rotating magnetic field as an instrument of elimination of macroinhomogeneities of crystals grown in Space. 51th Int. Astronautical Congress, 2-6 Oct. 2000, Rio de Janeiro, Brazil, Preprint IAA-00-IAA.12.3.01.

7. A.S. Senchenkov, I.V. Barmin. Application of rotating magnetic field to semiconductor crystal growth in Space. Magnetohydrodynamics, Vol.39, (2003), No.4, 531-538.

8. I.V. Barmin, A.S.Senchenkov, I.Ch. Avetisov, E.V. Zharikov. Low-energy methods of mass transfer control at crystal growth. Journal of Crystal Growth, Vol. 275/1-2, (2005) pp. e1487-e1493.

Последнее обновление: 30.05.2019
Задачи эксперимента:

1. Определить влияние остаточных квазистатических и вибрационных микроускорений (их амплитуд, частот, направлений) на борту ПКК на состав, структуру и свойства сплава CdZnTe.

2. Реализовать метод активного управления процессами массопереноса в жидкой фазе применением вращающегося магнитного поля, создающего условия, при которых остаточные квазистатические и вибрационные микроускорения не влияют на процесс роста монокристалла.

3. Получить кристаллы коммерческого качества с однородным распределением состава по объему кристалла.

Постановщики эксперимента: Сенченков А.С., КБОМ, начальник лаборатории, кандидат технических наук
Страна: Россия