Лаборатория организована в 1982 году на базе лаборатории синтеза минералов, которую возглавлял (1970-1976 г) к.г-м.н. А.А. Бобр-Сергеев.


Основные направления исследований:

- Физико-химические условия выращивания монокристаллов широкозонных фторидов с различной симметрией;

- Спектроскопия кристаллов щелочноземельных и редкоземельных фторидов;

- Разработка новых высокоэффективных твердотельных детекторов ионизирующего излучения для физики высоких энергий и медицинского приборостроения;

- Создание принципиально новых технологий получения кремния для солнечной энергетики;

- Кристаллохимия соединений со структурой берилла в сухих средах;

- Радиоэкология Байкальского региона.


Основные научные достижения последних лет

За последние несколько лет проведено комплексное исследование подавления свечения экситонов в кристаллах щелочно-земельных фторидов с примесями как методами экспериментальной оптической и магниторезонасной спектроскопии, так и с помощью неэмпирических квантово-химических расчетов. На основе оптических (область вакуумного ультрафиолета) и ЭПР исследований установлен механизм подавления свечения экситонов в кристаллах фторида бария, заключающийся в последовательном захвате свободных носителей заряда примесными ионами, который является конкурирующим с процессом образования экситонов из свободных носителей заряда. На рисунке показано, что примесь кадмия подавляет образование экситонов из зонных электронов и дырок. Подобные результаты получены нами и в кристаллах SrF₂-Cd и CaF₂-Cd, а также в кристаллах BaF₂-La. Сделан вывод, что сильное тушение экситонов примесями вызвано безизлучательной рекомбинацией горячих электронов и дырок около примеси. Совокупность полученных экспериментальных результатов указывает на важность электронно-дырочного канала переноса поглощенной энергии примесным центрам в щелочно-земельных фторидах.

Разработан метод выращивания оптически однородных кристаллов фтористого бария, в котором нежелательная медленная компонента свечения экситонов подавлена примесью кадмия. Кристаллы BaF₂-Cd представляют собой эффективные сцинтилляторы для регистрации быстрых (пикосекундных) процессов в интенсивных радиационных полях.

Исследованы оптические спектры, обусловленные примесью кадмия в кристаллах щелочно-земельных фторидов. Кадмиевые полосы поглощения смещены на 1-2 эВ от экситонного края фундаментального поглощения. Рассчитана релаксация решетки вокруг одновалентных и двухвалентных ионов кадмия и энергии и силы осцилляторов оптических переходов в кристаллах щелочно-земельных фторидов с примесью кадмия. Совокупность экспериментальных и расчетных результатов позволяет отнести полосы, связанные с двухвалентными ионами кадмия, к переходам электронов из валентной зоны на состояния кадмия в запрещенной зоне.

Развернут кластер для квантово-химических расчетов, состоящий из 4 процессорных блоков. Каждый процессорный блок состоит из процессора Атлон XP 2500, с 1 Гбайт ОЗУ и винчестера емкостью 120-160 Гбайт. Установлены программные комплексы GAMESS и PCGAMESS, выполняющие параллельные вычисления.

При выращивании кристаллов BaF₂ в области диаграммы состояния, соответствующей кристаллизации твердых растворов переменного состава образуется ячеистая структура (нижняя и верхняя части на рисунке). Образование ячеистой структуры происходит в результате срыва плоского фронта кристаллизации при наступлении концентрационного переохлаждения на границе роста кристалла. При уменьшении скорости выращивания кристалла в несколько раз ячеистая структура не наблюдается (средняя часть кристалла на рисунке).

С использованием электронного парамагнитного резонанса были исследованы парамагнитные дырочные центры в кристаллах фтористого бария, активированных трехвалентными иона лантана или двухвалентными ионами кадмия.

Завершены работы по созданию физико-химических основ принципиально новой технологии прямого получения мультикремния солнечного сорта из рафинированного металлургического кремния, полученного из высокочистых кварцитов Восточной Сибири.


Основные положения технологии заключаются в следующем:

- Электротермическое восстановление высокочистого металлургического кремния.

- Дополнительное удаление бора, фосфора и ряда других примесей при рафинировании кремния в ковше.

- Выращивание мультикремния методами направленной кристаллизации. При этом получение максимальной чистоты мультикремния осуществляется за счет низких значений равновесных коэффициентов распределения большинства примесей в кремнии, различий в упругости паров разных элементов при температурах, близких к температуре плавления кремния, высокого вакуума. Предлагаемая технология позволяет кардинально снизить стоимость мультикремния и создать необходимые объемы производства.

Для исследования процессов, происходящих в расплаве кремния, создана компьютерная физико-химическая модель рафинирования кремниевого расплава в ковше на основе программного комплекса «Селектор». Модель системы Si-B-H₂O-Ar позволяет проанализировать основные тенденции происходящие при очистке кремниевого расплава от бора.

Расчеты показали, что удаление бора из кремниевого расплава зависит в основном от трех параметров: количества введенной воды, температуры системы и объема газа, введенного в систему. Так как удаление бора из кремниевого расплава происходит в основном в виде НВО, естественна зависимость количества удаленного из расплава бора от количества введенного в систему воды. Хотя расчеты и показывают наличие в системе других соединений бора и кремния (HBO₂, BH₂, SiH, SiH₂, SiH₄, и.т.д) однако их количество существенно ниже. Однако вода в системе Si-H₂O-B расходуется не только на образование НВО, но так же и на образование SiO в газовой фазе и SiO₂ в расплаве.

Выявлено три основных фактора влияния исходной композиции и анатомии кристаллов на симметрию и упорядоченность соединений со структурой берилла: химический, кристаллохимический и механический. Действие химического фактора продемонстрировано на примере разновидностей кордиерита и бериллиевого индиалита. Оно выразилось в изменении симметрийных характеристик и степени упорядоченности кристаллов этих соединений при варьировании соотношениями видообразующих элементов (Si, Al, Be) и при введении примесей B, Cu, Ti, V, Mn, Cr, фторидов Nd и Li или карбонатов Rb и Cs в исходные композиции. Кристаллохимический фактор обусловлен избирательностью извлечения видообразующих и примесных элементов из среды минералообразования либо разноименными гранями кристаллов одного соединения, либо одноименными гранями разных соединений при их совместном одновременном росте. Механический фактор проявляется при наличии гетерометричных областей в индивидах (в т.ч. пирамид роста) и накладывается на химический и кристаллохимический. Описано проявление кристаллохимического и механического факторов в кристаллах кордиерита, бериллиевого индиалита и берилла, синтезированных в сухих (расплавных и раствор-расплавных) системах.

Раджабов Евгений Александрович, заведующий лабораторией,
доктор физико-химических наук, раб. тел. +7 (3952) 51-14-62