Porównanie kilku technik wzrostu kryształów szafiru
Od czasu, gdy w 1902 r. powstał pierwszy syntetyczny kamień szlachetny metodą fuzji płomieni, różne technologie uprawy syntetycznych kryształów szafiru nieustannie ewoluowały.Wystąpiło ponad tuzin metod wzrostu kryształów., w tym metodę syntezy płomieniowej, metodę Czochralskiego (CZ) i metodę Kyropoulosa (KY), między innymi. Każda metoda ma swoje zalety i wady i jest stosowana w różnych dziedzinach zastosowań.Obecnie, głównie przemysłowe techniki obejmują metodę Kyropoulosa, metodę Czochralskiego, metodę Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) oraz metodę Vertical Horizontal Gradient Freeze (VHGF).W dalszej części szczegółowo przedstawione zostaną typowe techniki wzrostu kryształów szafiru.
Metoda syntezy płomienia (proces Verneuil)
Proces Verneuil, znany również jako metoda fuzji płomienia, został nazwany na cześć znanego francuskiego chemika Auguste'a Victora Louis'a Verneuila.Najbardziej znany jest z wynalezienia pierwszej komercyjnie opłacalnej metody syntezy kamieni szlachetnychW 1902 roku opracował technikę "fusion płomienia", która jest nadal szeroko stosowana jako niedrogie metody produkcji syntetycznych kamieni szlachetnych.
Jako jedna z najczęstszych metod produkcji sztucznych kamieni szlachetnych na rynku, metoda fuzji płomieni nie jest stosowana tylko do syntezy rubynów i szafirów,ale dotyczy również produkcji szpinelu syntetycznego, syntetyczny rutyl, syntetyczne gwiazdkowe rubyny i gwiazdkowe szafiry, a nawet sztuczny titanat strontu, między innymi.
Zasada działania
Metody fuzji płomieni, w prostych słowach, wykorzystują wysoką temperaturę generowaną przez spalanie wodoru i tlenu.W płomieniu tlenku tlenku tlenu (Al2O3) podawany jest luźny proszekGdy surowy proszek przechodzi przez płomień, natychmiast topi się na maleńkie kropelki, które następnie spadają na schłodzony pręt nasion, gdzie utwardzają się i tworzą pojedynczy kryształ.
Poniższy schemat przedstawia uproszczony schemat aparatu do wzrostu kryształów z fuzji płomienia.
Kluczowym warunkiem skutecznego syntetyzowania kamieni szlachetnych jest wykorzystanie surowców o wysokiej czystości, o minimalnej czystości 99,9995%.tlenek aluminium (Al2O3) jest pierwotnym materiałemStarania są zwykle podejmowane w celu zmniejszenia zawartości sodu, ponieważ zanieczyszczenia sodu mogą powodować zamglenie i zmniejszyć przejrzystość kamienia szlachetnego.można dodawać niewielkie ilości różnych zanieczyszczeń tlenkuNa przykład tlenek chromu jest dodawany w celu wytworzenia rubinów, natomiast tlenek żelaza lub tlenek tytanu jest dodawany w celu wytworzenia niebieskich szafirów.i titananu stroncu powstaje poprzez dodanie oksalatu tytanuDo materiałów wyjściowych można również mieszać inne kryształy o niższej wartości.
Wysoka wydajność i niskie koszty!Metoda fuzji płomieni jest wysoce wydajnym i niedrogim sposobem syntezy sztucznych kamieni szlachetnych.Jest uważany za najszybszy sposób wzrostu kryształu spośród wszystkich syntetycznych technik kamienia szlachetnego, umożliwiając wytwarzanie dużych kryształów w krótkim czasie, można uprawiać około 10 gramów kryształu na godzinę.zazwyczaj tworzące kryształy w kształcie kule o masie od 150 do 750 karatów (1 karat = 00,2 g), o średnicy 17 ‰ 19 mm.
W porównaniu z sprzętem stosowanym w innych metodach wytwarzania syntetycznych kamieni szlachetnych, urządzenia syntezy płomieniowej mają najprostszą strukturę.Dzięki temu proces fuzji płomieni jest szczególnie odpowiedni do produkcji na skalę przemysłową i daje najwyższy wydajność spośród wszystkich metod syntetycznych.
Jednakże kryształy wytwarzane metodą syntezy płomienia zazwyczaj wykazują zakrzywione pasma wzrostu lub pasma kolorowe przypominające teksturę płyty gramofonowej,oraz charakterystyczne bąbelki w kształcie koralików lub brzoskwiniW związku z tym technika fuzji płomieni jest przede wszystkim odpowiednia do produkcji elementów o stosunkowo małych średnicach,na przykład biżuterii, elementy zegarków i łożyska precyzyjnych przyrządów.
Ponadto ze względu na niskie koszty kryształy szafiru uprawiane metodą syntezy płomieniowej mogą być również wykorzystywane jako nasiona lub materiały wyjściowe do innych metod hodowli kryształów opartych na stopieniu.
Metoda Kyropoulosa (Metoda KY)
Metoda Kyropoulosa, skrócona jako metoda KY, została zaproponowana przez Kyropoulosa w 1926 roku i początkowo wykorzystywana do wzrostu dużych kryształów halogenów, wodorotlenków i węglanów.Ta technika była stosowana głównie do przygotowania i badania takich kryształów.W latach 60. i 70. metoda ta została ulepszona przez sowieckiego naukowca Musatowa i z powodzeniem przystosowana do wzrostu pojedynczych kryształów szafiru.jest uważany za jedno z najskuteczniejszych rozwiązań ograniczeń metody Czochralskiego w produkcji dużych kryształów.
Kryształy uprawiane metodą Kyropoulosa są wysokiej jakości i stosunkowo niskiej ceny, co czyni tę technikę odpowiednią do produkcji przemysłowej na dużą skalę.około 70% substratów szafirowych stosowanych na całym świecie w zastosowaniach LED jest uprawianych przy użyciu metody Kyropoulosa lub jej różnych modyfikowanych wersji.
Jednostkowe kryształy wyhodowane tą metodą mają zazwyczaj kształt gruszki (zob. rysunek poniżej),i średnica kryształu może osiągnąć rozmiary tylko 10?? 30 mm mniejsze niż wewnętrzna średnica tyglikaMetoda Kyropoulosa jest obecnie jedną z najskuteczniejszych i najbardziej dojrzałych technik hodowli wielkowymiarowych pojedynczych kryształów szafiru.Dzięki tej metodzie z powodzeniem wyprodukowano już duże kryształy szafiru.
Niedawny raport prasowy ujawnił przełom w tej dziedzinie:
/22 grudnia /Crystal Growth Laboratory of Jing Sheng Crystals /w współpracy z jej spółką Jinghuan ElectronicsZ powodzeniem wyprodukowano pierwszy bardzo duży kryształ szafiru o masie około 700 kg, co stanowi ważny kamień milowy w dziedzinie innowacji..
Proces wzrostu kryształu Kyropoulosa
W metodzie Kyropoulosa surowiec jest najpierw podgrzewany do temperatury topnienia, tworząc roztopiony roztwór.Następnie pojedyncze ziarno kryształowe (znane również jako pręt kryształowy nasion) jest wprowadzane w kontakt z powierzchnią stopuNa powierzchni płynnej łączącej ziarno z płynem zaczyna rosnąć pojedynczy kryształ o tej samej strukturze siatkowej co ziarno.Kryształ nasienia jest powoli ciągnięty w górę przez krótki okres, aby utworzyć szyję kryształową.
Kiedy szybkość utwardzania na interfejsie między roztopieniem a nasieniem staje się stabilna, ciągnięcie się zatrzymuje, a nasienie nie jest już obracane.kryształ nadal rośnie w dół poprzez stopniowe kontrolowanie szybkości chłodzeniaW wyniku tego powstaje kompletny jednokrystaliczny ingot.
Charakterystyka metody Kyropoulosa
Metoda Kyropoulosa opiera się w dużej mierze na precyzyjnej kontroli temperatury do hodowli kryształów (kontrola temperatury jest absolutnie krytyczna!).Jego największa różnica od metody Czochralski leży w tym, że tylko szyja kryształowa jest wyciągnięta; główne ciało kryształu rośnie poprzez kontrolowane gradienty temperatury, bez dodatkowych zakłóceń związanych z ciąganiem lub obrotowaniem.
Podczas ciągnięcia szyjki kryształowej moc grzejnika jest starannie regulowana, aby doprowadzić stopiony materiał do optymalnego zakresu temperatur dla wzrostu kryształu.Pomaga to osiągnąć idealny wskaźnik wzrostu, w wyniku czego wytwarzane są wysokiej jakości pojedyncze kryształy szafiru o doskonałej integralności strukturalnej.
Metoda Czochralskiego CZ Metoda
Metoda Czochralski, znana również jako metoda CZ, jest techniką, w której kryształ jest uprawiany poprzez powoli ciągnięcie i obracanie kryształu nasiennego z stopionego roztworu zawartego w cieściu.Metoda ta została po raz pierwszy odkryta w 1916 roku przez polskiego chemika Jana CzochralskiegoW latach 50-tych, Bell Laboratories w Stanach Zjednoczonych opracował go do uprawy jednokrystalicznego germanium,i później został przyjęty przez innych naukowców do hodowli półprzewodnikowych pojedynczych kryształów takich jak krzemowy, jak również metalowe pojedyncze kryształy i syntetyczne kamienie szlachetne.
Metoda CZ umożliwia wytwarzanie ważnych kryształów kamieni szlachetnych, takich jak bezbarwny szafir, rubin, granat yttrium aluminiowy (YAG), granat gadolinium gallium (GGG), aleksandryt i spinel.
Jako jedna z najważniejszych technik uprawy pojedynczych kryształów z topnienia, metoda Czochralskiego została szeroko przyjęta, zwłaszcza wariant obejmujący żurawie podgrzewające indukcją.W zależności od rodzaju rosnącego kryształu, materiał do topienia stosowany w metodzie CZ może być irydem, molibdenem, platyną, grafytem lub innymi tlenkami o wysokim stopniu topnienia.Irydowce wprowadzają najmniejsze zanieczyszczenie szafiru, ale są niezwykle drogie, co prowadzi do wyższych kosztów produkcji.
Metoda Czochralski (CZ) Proces wzrostu kryształu
Najpierw surowiec podgrzewa się do stopnia topnienia, tworząc stopiony roztwór, a następnie wprowadza się do kontaktu pojedyncze ziarno kryształowe z powierzchnią stopu.Ze względu na różnicę temperatury na powierzchni stałej/płynnej między nasieniem a roztopieniemW wyniku tego roztopienie zaczyna utwardzać się na powierzchni nasion i wyrasta w pojedynczy kryształ o tej samej strukturze kryształowej co nasiona.
W tym samym czasie, kryształ nasion jest powoli ciągnięty w górę z kontrolowaną prędkością, podczas gdy obraca się w określonym tempie.stopiony roztwór nadal utwardza się na powierzchni stałego łyka, ostatecznie tworząc symetryczny w ruchu jednokrystaliczny ingot.
Główną zaletą metody Czochralskiego jest to, że proces wzrostu kryształu można łatwo obserwować.który znacząco zmniejsza naprężenie kryształowe i zapobiega niepożądanemu tworzeniu jądra na ścianach tyglikaMetoda ta umożliwia również wygodne stosowanie układów orientujących kryształy nasion i technik "głowienia", które znacznie zmniejszają gęstość zwichnięć.
W rezultacie kryształy szafiru uprawiane metodą CZ wykazują wysoką integralność strukturalną, a ich tempo wzrostu i rozmiar kryształu są całkiem zadowalające.kryształy szafiru wytworzone tą metodą mają stosunkowo niską gęstość zwichnięć i wysoką jednolitość optycznąGłównymi wadami są wyższe koszty i ograniczenia maksymalnej średnicy kryształu.
Uwaga:Chociaż metoda CZ jest rzadziej stosowana do komercyjnej produkcji kryształów safirów, jest to najczęściej stosowana technika wzrostu kryształów w przemyśle półprzewodnikowym.Ponieważ może wytwarzać kryształy o dużej średnicy., około 90% jednokrystalicznych ingotów krzemu jest uprawianych metodą CZ.
Metoda kształtu roztopu metoda EFG
Metoda Form Melt, znana również jako metoda Edge-defined Film-fed Growth (EFG), została niezależnie wynaleziona w 1960 roku przez Harolda LaBelle'a w Wielkiej Brytanii i Stepanova w Związku Radzieckim.Metoda EFG jest odmianą techniki Czochralskiego i jest technologią formowania w kształcie niemal sieci, co oznacza, że wyrastają kryształowe plamy bezpośrednio z stopu w pożądanym kształcie.
Metoda ta nie tylko eliminuje ciężkie obróbki mechaniczne wymagane dla kryształów syntetycznych w produkcji przemysłowej, ale również skutecznie oszczędza surowce i obniża koszty produkcji.
Główną zaletą metody EFG jest jej wydajność materiałowa i zdolność do hodowli kryształów różnych specjalnych kształtów.jest powszechnie stosowany do uprawy materiałów o kształcie lub złożonymWraz z najnowszymi postępami technologicznymi metoda EFG zaczęła być stosowana również do produkcji substratów do epitacji MOCVD, co stanowi coraz większy udział w rynku.
Metoda wymiany ciepła Metoda HEM
W 1969 roku F. Schmid i D. Viechnicki wynaleźli nową technikę wzrostu kryształu znaną jako metoda Schmid-Viechnicki.
HEM jest jedną z najbardziej dojrzałych metod uprawy dużych, wysokiej jakości kryształów szafiru.oś m, lub osi r, przy czym kierunek osi jest najczęściej stosowany.
Zasada
Metody wymiany ciepła wykorzystują wymiennik ciepła do usuwania ciepła,tworzenie pionowego gradientu temperatury w strefie wzrostu kryształu z chłodniejszymi temperaturami na dole i cieplejszymi temperaturami na górzePoprzez kontrolowanie przepływu gazu wewnątrz wymiennika ciepła (zwykle helu) i regulację mocy ogrzewania, gradient temperatury jest precyzyjnie zarządzany,pozwalając stopieniu wewnątrz tyglika stopniowo utwardzać się od dołu w górę do kryształu.
W porównaniu z innymi procesami wzrostu kryształu, zauważalną cechą HEM jest to, że interfejs stały-płynny jest zanurzony poniżej powierzchni stopu.zakłócenia termiczne i mechaniczne są tłumione, co powoduje jednolity gradient temperatury na interfejsie, co sprzyja jednolitej produkcji kryształów i ułatwia wytwarzanie kryształów o wysokiej jednolitości chemicznej.ponieważ wygrzewanie in situ jest częścią cyklu utwardzania HEM, gęstość wad jest często niższa niż w przypadku innych metod.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!