مقایسه چندین تکنیک رشد بلور زعفر
از زمان تولید اولین سنگ قیمتی مصنوعی با روش فیوژن شعله در سال 1902، فناوری های مختلف برای رشد کریستال های زپیر مصنوعی به طور مداوم تکامل یافته است.بیش از یک دوجین روش رشد کریستال به وجود آمده است، از جمله فیوژن شعله، روش Czochralski (CZ) و روش Kyropoulos (KY) ، و غیره. هر روش مزایا و معایب خود را دارد و در زمینه های کاربردی مختلف استفاده می شود.در حال حاضر، تکنیک های صنعتی اصلی عبارتند از روش Kyropoulos، روش Czochralski، روش Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) و روش Vertical Horizontal Gradient Freeze (VHGF).بخش بعدی تکنیک های معمول رشد کریستال زپیر را با جزئیات بیشتر معرفی خواهد کرد.
روش فیوژن شعله (رویه ورنوئل)
فرآیند ورنیول، که به عنوان روش فیوژن شعله نیز شناخته می شود، به نام شیمی دان مشهور فرانسه، اوگست ویکتور لوئیس ورنیول نامگذاری شده است.او به خاطر اختراع اولین روش تجاری برای ترکیب سنگهای قیمتی شناخته شده استدر سال ۱۹۰۲، او تکنیک "انشعاب شعله" را توسعه داد، که امروزه به طور گسترده ای به عنوان یک روش مقرون به صرفه برای تولید سنگهای قیمتی مصنوعی استفاده می شود.
به عنوان یکی از رایج ترین روش های تولید سنگهای قیمتی مصنوعی در بازار، روش فیوژن شعله نه تنها برای سنتز یاقوت و یاقوت استفاده می شود،اما همچنین برای تولید اسپینل مصنوعی نیز صدق می کند، روتیل مصنوعی، یاقوت های ستاره ای مصنوعی و سفیر ستاره ای، و حتی تیتانات استرانسیوم مصنوعی، در میان دیگران.
اصل کار
روش فیوژن شعله، به زبان ساده، از دمای بالای تولید شده توسط احتراق هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند.یک پودر گسسته از اکسید آلومینیوم (Al2O3) از طریق شعله اکسی هیدروژن تغذیه می شودوقتی که پودر خام از داخل شعله عبور می کند، بلافاصله به قطرات کوچک می ریزد، که سپس روی یک میله دانه سرد می افتند، جایی که آنها جامد می شوند و یک کریستال واحد را تشکیل می دهند.
نمودار زیر یک طرح ساده از دستگاه رشد کریستال فیوژن شعله را نشان می دهد.
یک پیش شرط کلیدی برای سنتز موفقیت آمیز سنگهای قیمتی استفاده از مواد خام بسیار خالص با حداقل خلوص 99.9995% است.اکسید آلومینیوم (Al2O3) ماده اصلی استتلاش ها معمولا برای کاهش محتوای سدیم انجام می شود، زیرا ناخالصی های سدیم می توانند باعث ابری و کاهش شفافیت سنگ قیمتی شوند. بسته به رنگ مورد نظر،مقدار کمی از ناخالصی های مختلف اکسید می تواند اضافه شودبرای مثال، اکسید کرومیوم برای تولید یاقوت اضافه می شود، در حالی که اکسید آهن یا اکسید تیتانیوم برای تولید سفیر آبی اضافه می شود. برای انواع دیگر، روتیل با اضافه کردن دی اکسید تیتانیوم،و استرانسیوم تیتانات با اضافه کردن اکسالات تیتانیوم تشکیل می شودکریستال های دیگر با ارزش پایین تر نیز می توانند به مواد اولیه مخلوط شوند.
کارایی بالا و هزینه کم! روش فیوژن شعله یک روش بسیار کارآمد و کم هزینه برای سنتز سنگهای قیمتی مصنوعی است.این روش سریع ترین روش رشد کریستال در میان تمام تکنیک های سنگ قیمتی مصنوعی است.، که تولید کریستال های بزرگ را در زمان کوتاه امکان پذیر می کند. حدود 10 گرم کریستال در ساعت می تواند رشد کند. اندازه کریستال سنگ های قیمتی مبتنی بر کوراندوم متفاوت است.که معمولاً کریستال های شکل گلوله ای از 150 تا 750 قیراط تشکیل می دهند..2 گرم) ، با قطر به 1719 میلی متر می رسد.
در مقایسه با تجهیزات مورد استفاده در سایر روش های سنگ قیمتی مصنوعی، دستگاه های فیوژن شعله ساده ترین ساختار هستند.این باعث می شود که فرآیند فیوژن شعله به ویژه برای تولید در مقیاس صنعتی مناسب باشد و بیشترین بهره را از بین تمام روش های مصنوعی به آن می دهد.
با این حال، کریستال های تولید شده توسط روش فیوژن شعله معمولاً دارای خطوط رشد منحنی یا نوارهای رنگی شبیه بافت یک رکورد فونوگرافی هستند.و همچنین حباب های مشخصی شبیه به گنجی یا شکل سرگوشیاین ویژگی ها کاربرد آنها را در زمینه هایی مانند نوری و نیمه هادی محدود می کند. بنابراین، تکنیک فیوژن شعله عمدتا برای تولید اقلامی با قطر نسبتاً کوچک مناسب است.مثل جواهرات، قطعات ساعت و لگارهای ابزار دقیق.
علاوه بر این، به دلیل هزینه پایین آن، کریستال های سفیر که با روش فیوژن شعله رشد می کنند همچنین می توانند به عنوان دانه یا مواد اولیه برای روش های دیگر رشد کریستال مبتنی بر ذوب استفاده شوند.
روش کیروپولوس (روش KY)
روش کیروپولوس که به اختصار به عنوان روش KY شناخته می شود، برای اولین بار در سال 1926 توسط کیروپولوس پیشنهاد شد و در ابتدا برای رشد کریستال های هالیید بزرگ، هیدروکسید ها و کربنات ها استفاده شد.این تکنیک عمدتاً برای آماده سازی و مطالعه این کریستال ها استفاده می شد.در دهه 1960 و 1970، روش توسط دانشمند شوروی موساتوف بهبود یافت و با موفقیت برای رشد کریستال های انفرادی سفیر تطبیق یافت.به عنوان یکی از موثرترین راه حل ها برای محدودیت های روش Czochralski در تولید کریستال های بزرگ در نظر گرفته می شود.
کریستال های رشد یافته توسط روش کیروپولوس با کیفیت بالا و هزینه نسبتا کم هستند، که این تکنیک را برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ مناسب می کند.حدود ۷۰ درصد از زیربناهای سفیر مورد استفاده در سراسر جهان برای کاربردهای LED با استفاده از روش Kyropoulos یا نسخه های مختلف اصلاح شده آن رشد می کنند.
کریستال های انفرادی که با این روش رشد می کنند معمولاً ظاهر شکل گلابی دارند (شکل زیر را ببینید).و قطر کریستال می تواند به اندازه های فقط 1030 میلی متر کوچکتر از قطر داخلی از سنگ شکن برسدروش کیروپولوس در حال حاضر یکی از موثرترین و بالغ ترین تکنیک ها برای رشد کریستال های تک قطر سفیر بزرگ است.کریستال های بزرگ سفیر با استفاده از این روش با موفقیت تولید شده اند.
یک گزارش خبری اخیر یک پیشرفت در این زمینه را برجسته کرد:
در 22 دسامبر، آزمايشگاه رشد بلور Jing Sheng Crystals، در همکاری با شرکت تابعه Jinghuan Electronics،موفق به تولید اولین کریستال سفیر فوق العاده بزرگ با وزن تقریبا 700 کیلوگرم.
فرآیند رشد کریستال کیروپولوس
در روش کیروپولوس، مواد اولیه ابتدا تا نقطه ذوب آن گرم می شوند تا محلول ذوب شود.سپس یک دانه کریستالی واحد (همچنین به عنوان یک میله کریستالی دانه نیز شناخته می شود) با سطح ذوب شده در تماس استدر رابط جامد/ مایع بین دانه و ذوب، یک کریستال واحد با ساختار شبکه ای مشابه دانه شروع به رشد می کند.کریستال دانه به آرامی برای مدت کوتاهی به سمت بالا کشیده می شود تا گردن کریستالی شکل بگیرد.
هنگامی که سرعت تثبیت در رابط بین ذوب و دانه ثابت می شود، کشیدن متوقف می شود و دانه دیگر چرخش نمی کند. از این نقطه به بعد،کریستال همچنان به سمت پایین رشد می کند با کنترل تدریجی سرعت خنک شدن، اجازه می دهد تا ذوب از بالا به پایین جامد شود. این منجر به تشکیل یک انبوه تک کریستالی کامل می شود.
ویژگی های روش کیروپولوس
روش کیروپولوس به شدت به کنترل دقیق دمای رشد کریستال ها متکی است (کنترل دمای کاملاً حیاتی است!).بزرگترین تفاوت آن از روش Czochralski در این واقعیت است که تنها گردن بلور کشیده می شود؛ بدن اصلی کریستال از طریق گرادیان درجه حرارت کنترل شده رشد می کند، بدون اختلال اضافی کشیدن یا چرخش. این فرآیند را پایدارتر و کنترل آسان تر می کند.
در حالی که گردن کریستال کشیده می شود، قدرت گرم کننده به دقت تنظیم می شود تا مواد ذوب شده را به محدوده دمای مطلوب برای رشد کریستال برساند.این به دستیابی به نرخ رشد ایده آل کمک می کند، در نهایت تولید کریستال های تک سفیر با کیفیت بالا با یکپارچگی ساختاری عالی.
روش Czochralski روش CZ
روش Czochralski، که به عنوان روش CZ نیز شناخته می شود، یک تکنیک است که در آن یک کریستال با آهسته کشیدن و چرخش یک کریستال دانه از محلول ذوب شده موجود در یک سنگ شکن رشد می کند.این روش برای اولین بار در سال ۱۹۱۶ توسط شیمی دان لهستانی جان چچرالسکی کشف شددر دهه 1950، آزمایشگاه های بل در ایالات متحده آن را برای رشد جرمنیوم تک کریستالی توسعه دادند.و بعدا توسط دانشمندان دیگر برای رشد کریستال های نیمه هادی مانند سیلیکون مورد استفاده قرار گرفت.، و همچنین کریستال های فلزی و سنگهای مصنوعی.
روش CZ قادر به تولید کریستال های مهم سنگ قیمتی مانند سفیر بی رنگ، یاقوت، گارنت آلومینیوم یتریوم (YAG) ، گارنت گالیم گادولینیوم (GGG) ، الکساندریت و اسپینل است.
به عنوان یکی از مهم ترین تکنیک ها برای رشد کریستال های تک از ذوب، روش Czochralski به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است، به ویژه گونه ای که شامل گلدان های گرمایش تحرک است.بسته به نوع بلور که رشد می کنداز نظر عملی، مواد سنگ شکن مورد استفاده در روش CZ می توانند اریدیوم، مولیبدنوم، پلاتین، گرافیت و یا اکسید های دیگر با نقطه ذوب بالا باشند.خمیرهای اریدیوم کمترین آلودگی را به سفیر وارد می کنند اما بسیار گران هستند، که منجر به افزایش هزینه های تولید می شود. تندیس های وولفستم و مولیبدن، در حالی که مقرون به صرفه تر هستند، تمایل دارند سطوح آلودگی بیشتری را وارد کنند.
روش Czochralski (CZ) فرآیند رشد کریستال
ابتدا، مواد خام تا نقطه ذوب آن گرم می شوند تا محلول ذوب شده ای تشکیل دهند. سپس یک دانه کریستالی تک با سطح ذوب قرار می گیرد.به دلیل تفاوت دمای رابط جامد/ مایع بین دانه و ذوبدر نتیجه، ذوب شروع به جامد شدن در سطح دانه می کند و یک کریستال واحد با ساختار کریستالی مشابه دانه رشد می کند.
در عین حال، کریستال دانه به آرامی با سرعت کنترل شده به سمت بالا کشیده می شود در حالی که با سرعت خاصی چرخش می کند.محلول ذوب شده همچنان در رابط جامد/ مایع جامد می شود.، درنهایت شکل گیری یک قطعه ی تک کریستالی متماثل چرخش.
مزیت اصلی روش Czochralski این است که فرآیند رشد کریستال را می توان به راحتی مشاهده کرد. کریستال بدون تماس با سنگ شکن در سطح ذوب می شود.که به طور قابل توجهی استرس کریستالی را کاهش می دهد و از هسته سازی ناخواسته در دیواره های خروجی جلوگیری می کنداین روش همچنین به راحتی امکان استفاده از کریستال های دانه های جهت یافته و تکنیک های "گلو" را فراهم می کند که تراکم انحراف را به شدت کاهش می دهد.
در نتیجه، کریستال های سفیر که با روش CZ رشد می کنند یکپارچگی ساختاری بالا را نشان می دهند و نرخ رشد و اندازه کریستال آنها کاملاً رضایت بخش است.کریستال های سفیر تولید شده با این روش دارای تراکم انحلال نسبتا کم و یکسانی نوری بالا هستند.معایب اصلی هزینه های بالاتر و محدودیت در حداکثر قطر کریستال است.
يادداشت:اگرچه روش CZ کمتر برای تولید کریستال سفیر تجاری مورد استفاده قرار می گیرد، این روش گسترده ترین روش رشد کریستال در صنعت نیمه هادی است.چون مي تونه بلور هاي قطر بزرگي تولید کنه، حدود ۹۰٪ از اینگوت های سیلیکون تک کریستالی با روش CZ رشد می کنند.
روش شکل ذوب ️ روش EFG
روش شکل ذوب، که به عنوان روش رشد تغذیه شده توسط فیلم (EFG) نیز شناخته می شود، به طور مستقل در دهه 1960 توسط هارولد لابل در انگلستان و استپانوف در اتحاد جماهیر شوروی اختراع شد.روش EFG یک نوع از روش Czochralski است و یک تکنولوژی شکل گیری نزدیک به شبکه است.، به این معنی که آن را به طور مستقیم از ذوب شدن به شکل مورد نظر رشد می کند.
این روش نه تنها پردازش مکانیکی سنگین مورد نیاز برای کریستال های مصنوعی در تولید صنعتی را از بین می برد، بلکه به طور موثر مواد خام را صرفه جویی می کند و هزینه های تولید را کاهش می دهد.
یک مزیت اصلی روش EFG بهره وری مواد و توانایی رشد کریستال های مختلف شکل های خاص است. با این حال، کاهش سطح نقص همچنان یک چالش است. بنابراین،معمولاً برای رشد مواد پیچیده و شکل دار استفاده می شود.با پیشرفت های اخیر در فناوری، روش EFG نیز برای تولید زیربناهای epitaxy MOCVD، که سهم فزاینده ای از بازار را تشکیل می دهد، استفاده می شود.
روش مبادله گرما
در سال ۱۹۶۹، F. Schmid و D. Viechnicki یک تکنیک جدید رشد کریستال شناخته شده به عنوان روش Schmid-Viechnicki را اختراع کردند.
HEM یکی از پیشرفته ترین روش ها برای رشد کریستال های سفیر با کیفیت بالا است. جهت رشد کریستال می تواند در امتداد محور باشد،محور m، یا محور r، با جهت محور که معمولاً استفاده می شود. یک نمودار طرحی از این اصل در زیر نشان داده شده است.
اصل
روش تبادل گرما از یک مبادله گرما برای حذف گرما استفاده می کند.ایجاد گرادیان درجه حرارت عمودی در منطقه رشد کریستال با دمای سردتر در پایین و دمای گرمتر در بالابا کنترل جریان گاز داخل مبادله گرما (معمولا هلیوم) و تنظیم قدرت گرمایش، این گرادیان درجه حرارت به دقت مدیریت می شود،اجازه دادن به ذوب شدن داخل سنگ شکن تا به تدریج از پایین به سمت بالا به یک کریستال تبدیل شود.
در مقایسه با سایر فرآیندهای رشد کریستال، یک ویژگی قابل توجه HEM این است که رابط جامد مایع در زیر سطح ذوب است.اختلال های حرارتی و مکانیکی سرکوب می شوند.، که منجر به گرادیان درجه حرارت یکنواخت در رابط می شود، که باعث رشد یکنواخت کریستال می شود و تولید کریستال با یکنواخت شیمیایی بالا را تسهیل می کند.چون انستیتو آنلیول بخشی از چرخه جامد شدن HEM است.، تراکم نقص اغلب کمتر از روش های دیگر است.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!