Σύγκριση αρκετών τεχνικών ανάπτυξης κρυστάλλων ζαφείριου
Από τότε που η πρώτη συνθετική πολύτιμη πέτρα παρασκευάστηκε με τη μέθοδο σύντηξης φλόγας το 1902, διάφορες τεχνολογίες για την καλλιέργεια συνθετικών κρυστάλλων ζαφείρου εξελίχθηκαν συνεχώς.Περισσότερες από μια ντουζίνα μεθόδους ανάπτυξης κρυστάλλων έχουν αναδυθείΗ μέθοδος αυτή περιλαμβάνει τη σύντηξη με φλόγα, τη μέθοδο Czochralski (CZ) και τη μέθοδο Kyropoulos (KY), μεταξύ άλλων.Σήμερα, οι κύριες βιομηχανικές τεχνικές περιλαμβάνουν τη μέθοδο Kyropoulos, τη μέθοδο Czochralski, τη μέθοδο Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) και τη μέθοδο Vertical Horizontal Gradient Freeze (VHGF).Στο επόμενο τμήμα θα εισαχθούν λεπτομερέστερα οι τυπικές τεχνικές ανάπτυξης κρυστάλλων ζαφείρου.
Μέθοδος σύντηξης με φλόγα (διαδικασία Verneuil)
Η διαδικασία Verneuil, επίσης γνωστή ως μέθοδος σύντηξης φλόγας, πήρε το όνομά της από τον φημισμένο Γάλλο χημικό Auguste Victor Louis Verneuil.Είναι γνωστός για την εφεύρεση της πρώτης εμπορικά βιώσιμης μεθόδου σύνθεσης πολύτιμων λίθωνΤο 1902, ανέπτυξε την τεχνική της "σύντηξης με φλόγα", η οποία χρησιμοποιείται ακόμη ευρέως σήμερα ως προσιτή μέθοδος για την παραγωγή συνθετικών πολύτιμων λίθων.
Ως μία από τις πιο κοινές μεθόδους παραγωγής συνθετικών πολύτιμων λίθων στην αγορά, η μέθοδος σύντηξης με φλόγα δεν χρησιμοποιείται μόνο για τη σύνθεση ρουμπινίων και ζαφείρων,αλλά ισχύει και για την παραγωγή συνθετικού σπινέλου, συνθετικό ρουτίλιο, συνθετικά αστρικά ρουμπίνια και αστρικά ζαφείρια, ακόμη και τεχνητό τιτανικό στρόντιο, μεταξύ άλλων.
Αρχή λειτουργίας
Η μέθοδος σύντηξης με φλόγα, με απλούς όρους, χρησιμοποιεί την υψηλή θερμοκρασία που παράγεται από την καύση υδρογόνου και οξυγόνου.Μια χαλαρή σκόνη οξειδίου του αλουμινίου (Al2O3) τροφοδοτείται μέσω της φλόγας οξυδρογόνουΚαθώς η ακατέργαστη σκόνη περνά μέσα από τη φλόγα, λιώνει αμέσως σε μικροσκοπικές σταγόνες, οι οποίες έπειτα πέφτουν σε μια ψυχρή ράβδο σπόρων, όπου στερεώνονται και σχηματίζουν έναν ενιαίο κρύσταλλο.
Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει ένα απλοποιημένο σχήμα του μηχανισμού ανάπτυξης κρυστάλλων σύντηξης φλόγας.
Μια βασική προϋπόθεση για την επιτυχή σύνθεση πολύτιμων λίθων είναι η χρήση πολύ καθαρών πρώτων υλών, με ελάχιστη καθαρότητα 99,9995%.το οξείδιο του αλουμινίου (Al2O3) είναι το κύριο υλικόΣυνήθως καταβάλλονται προσπάθειες για τη μείωση της περιεκτικότητας σε νάτριο, καθώς οι ακαθαρσίες νάτριο μπορεί να προκαλέσουν θολούδα και να μειώσουν την καθαρότητα της πολύτιμης πέτρας.μπορούν να προστίθενται μικρές ποσότητες διαφόρων προσμείξεων οξειδίωνΓια παράδειγμα, το οξείδιο του χρωμίου προστίθεται για την παραγωγή ρουμπίνων, ενώ το οξείδιο του σιδήρου ή το οξείδιο του τιτανίου προστίθεται για την παραγωγή μπλε ζαφείρων.και το τιτανικό στρόντιο σχηματίζεται με την προσθήκη οξαλικού τιτανίουΆλλοι κρυστάλλοι χαμηλότερης αξίας μπορούν επίσης να αναμιχθούν στα υλικά εκκίνησης.
Υψηλή αποτελεσματικότητα και χαμηλό κόστος!Η μέθοδος σύντηξης με φλόγα είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική και χαμηλού κόστους προσέγγιση για τη σύνθεση τεχνητών πολύτιμων λίθων.Θεωρείται η ταχύτερη μέθοδος ανάπτυξης κρυστάλλων μεταξύ όλων των τεχνικών συνθετικών πολύτιμων λίθωνΤο μέγεθος των κρυστάλλων των πολύτιμων λίθων που προέρχονται από κορούντιο ποικίλλει,Συνήθως σχηματίζουν κρυστάλλους σχήματος σφαίρας που κυμαίνονται από 150 έως 750 καρατίων (1 καράτ = 0.2 γραμμάρια), με διαμέτρους που φτάνουν τα 17·19 mm.
Σε σύγκριση με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σε άλλες συνθετικές μεθόδους πολύτιμων λίθων, οι συσκευές σύντηξης φλόγας είναι οι απλούστερες στη δομή τους.Αυτό καθιστά τη διαδικασία σύντηξης με φλόγα ιδιαίτερα κατάλληλη για βιομηχανική παραγωγή και της δίνει την υψηλότερη απόδοση μεταξύ όλων των συνθετικών μεθόδων.
Ωστόσο, οι κρύσταλλοι που παράγονται με τη μέθοδο σύντηξης με φλόγα παρουσιάζουν συνήθως καμπύλες ραβδώσεις ανάπτυξης ή ζώνες χρώματος που μοιάζουν με την υφή ενός δίσκου φωνογράφου,καθώς και χαρακτηριστικές φυσαλίδες με σχήμα χάντρου ή ζαχαρωτούΟι εν λόγω ιδιότητες περιορίζουν την εφαρμογή τους σε τομείς όπως η οπτική και οι ημιαγωγοί.όπως κοσμήματα, εξαρτήματα ρολογιών και ρουλεμάν για όργανα ακριβείας.
Επιπλέον, λόγω του χαμηλού κόστους τους, οι κρύσταλλοι ζαφείριου που καλλιεργούνται με τη μέθοδο σύντηξης με φλόγα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως σπόροι ή υλικά εκκίνησης για άλλες μεθόδους καλλιέργειας κρυστάλλων με βάση το λιώσιμο.
Μέθοδος Kyropoulos (Μέθοδος KY)
Η μέθοδος Kyropoulos, συντομογραφία ως μέθοδος KY, προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Kyropoulos το 1926 και αρχικά χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη μεγάλων κρυστάλλων αλογονίων, υδροξειδίων και ανθρακικών.Αυτή η τεχνική εφαρμόστηκε κυρίως στην προετοιμασία και μελέτη τέτοιων κρυστάλλωνΣτη δεκαετία του '60 και του '70, η μέθοδος βελτιώθηκε από τον Σοβιετικό επιστήμονα Musatov και προσαρμόστηκε με επιτυχία για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων σαφείρου.θεωρείται μία από τις πιο αποτελεσματικές λύσεις στους περιορισμούς της μεθόδου Czochralski στην παραγωγή μεγάλων κρυστάλλων.
Οι κρυστάλλοι που καλλιεργούνται με τη μέθοδο Kyropoulos είναι υψηλής ποιότητας και σχετικά χαμηλού κόστους, καθιστώντας την τεχνική κατάλληλη για βιομηχανική παραγωγή μεγάλης κλίμακας.Περίπου το 70% των υποστρωμάτων σαφείρου που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για εφαρμογές LED καλλιεργούνται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Kyropoulos ή τις διάφορες τροποποιημένες εκδόσεις της.
Οι μονοκρυστάλλοι που καλλιεργούνται με αυτή τη μέθοδο έχουν συνήθως αχλαδιόμορφη εμφάνιση (βλέπε εικόνα παρακάτω),και η διάμετρος του κρυστάλλου μπορεί να φτάσει σε μεγέθη μόλις 10~30 mm μικρότερα από την εσωτερική διάμετρο του χωνευτήΗ μέθοδος Kyropoulos είναι σήμερα μία από τις πιο αποτελεσματικές και ώριμες τεχνικές για την καλλιέργεια μονοκρυστάλλων ζαφείρου μεγάλης διαμέτρου.Μεγάλων μεγεθών κρύσταλλοι σαφείρου έχουν ήδη παραχθεί με επιτυχία με αυτή τη μέθοδο.
Μια πρόσφατη είδηση ειδήσεων υπογράμμισε μια πρόοδο σε αυτόν τον τομέα:
Στις 22 Δεκεμβρίου, το Εργαστήριο Ανάπτυξης Κρυστάλλων της Jing Sheng Crystals, σε συνεργασία με την θυγατρική της Jinghuan Electronics,Η εταιρεία δημιούργησε με επιτυχία τον πρώτο υπερμεγάλο κρύσταλλο ζαφείριου βάρους περίπου 700 kg, σημειώνοντας ένα σημαντικό ορόσημο καινοτομίας..
Διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων Kyropoulos
Στην μέθοδο Kyropoulos, η πρώτη ύλη θερμαίνεται μέχρι το σημείο τήξης της για να σχηματιστεί ένα λιωμένο διάλυμα.Ένας μοναδικός κρυστάλλινος σπόρος (γνωστός και ως σπόρος κρυστάλλινης ράβδου) έπειτα έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του λιωμένουΣτην στερεή ρευστή διασύνδεση μεταξύ του σπόρου και του λιωμένου υλικού, αρχίζει να αναπτύσσεται ένας μόνο κρύσταλλος με την ίδια δομή πλέγματος με τον σπόρο.Ο κρύσταλλος του σπόρου τραβάται αργά προς τα πάνω για ένα σύντομο χρονικό διάστημα για να σχηματιστεί ένας κρύσταλλος λαιμός.
Μόλις ο ρυθμός στερεώσεως στη διασύνδεση μεταξύ του λιωμένου και του σπόρου γίνει σταθερός, η έλξη σταματά και ο σπόρος δεν περιστρέφεται πλέον.ο κρύσταλλος συνεχίζει να αυξάνεται προς τα κάτω με τον σταδιακό έλεγχο του ρυθμού ψύξηςΑυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός ολοκληρωμένου μονοκρυστάλλου.
Χαρακτηριστικά της μεθόδου Kyropoulos
Η μέθοδος Kyropoulos βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στον ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας για την ανάπτυξη κρυστάλλων (ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι απολύτως κρίσιμος!).Η μεγαλύτερη διαφορά από τη μέθοδο Czochralski έγκειται στο γεγονός ότι μόνο ο κρυστάλλινος λαιμός τραβήχτηκεΤο κύριο σώμα του κρυστάλλου αναπτύσσεται μέσω ελεγχόμενων κλίσεων θερμοκρασίας, χωρίς την επιπλέον διαταραχή της έλξης ή της περιστροφής.
Ενώ τραβάται ο κρυστάλλινος λαιμός, η ισχύς του θερμαντήρα ρυθμίζεται προσεκτικά ώστε να φέρει το λιωμένο υλικό στο βέλτιστο εύρος θερμοκρασίας για την ανάπτυξη των κρυστάλλων.Αυτό συμβάλλει στην επίτευξη ενός ιδανικού ρυθμού ανάπτυξης, με αποτέλεσμα την παραγωγή μονοκρυστάλλων ζαφείρι υψηλής ποιότητας με εξαιρετική δομική ακεραιότητα.
Μέθοδος Czochralski μεθοδος CZ
Η μέθοδος Czochralski, επίσης γνωστή ως μέθοδος CZ, είναι μια τεχνική στην οποία ένας κρύσταλλος καλλιεργείται τραβώντας και περιστρέφοντας αργά έναν κρύσταλλο σπόρου από το λιωμένο διάλυμα που περιέχεται σε χωνευτήρα.Αυτή η μέθοδος ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1916 από τον Πολωνό χημικό Jan CzochralskiΣτη δεκαετία του 1950, τα εργαστήρια Bell στις ΗΠΑ το ανέπτυξαν για την καλλιέργεια μονοκρυσταλλικού γερμανίου,και αργότερα υιοθετήθηκε από άλλους επιστήμονες για την ανάπτυξη ημιαγωγών μονοκρυστάλλων όπως το πυρίτιο, καθώς και μεταλλικοί μονοκρυστάλλοι και συνθετικοί πολύτιμοι λίθοι.
Η μέθοδος CZ είναι ικανή να παράγει σημαντικούς κρυστάλλους πολύτιμων λίθων, όπως άχρωμος σαφείρι, ρουμπίνι, γκράνετ αλουμινίου ιτρίου (YAG), γκράνετ γαλλίου γκαδολίνιου (GGG), αλεξανδρίτη και σπινέλ.
Ως μια από τις σημαντικότερες τεχνικές για την καλλιέργεια μονοκρυστάλλων από το λιώσιμο, η μέθοδος Czochralski έχει υιοθετηθεί ευρέως, ιδιαίτερα η παραλλαγή που περιλαμβάνει χωνευτήρια θέρμανσης με επαγωγή.Ανάλογα με τον τύπο του κρυστάλλου που καλλιεργείταιΗ μέθοδος CZ χρησιμοποιεί υλικό που μπορεί να είναι ιρίδιο, μολυβδένιο, πλατίνα, γραφίτης ή άλλα οξείδια με υψηλό σημείο τήξης.Τα χωνευτήρια ιριδίου προκαλούν τη μικρότερη μόλυνση του ζαφείρι αλλά είναι εξαιρετικά ακριβά.Τα χωνευτήρια βολφραμίου και μολυβδενίου, ενώ είναι πιο προσιτά, τείνουν να εισάγουν υψηλότερα επίπεδα μόλυνσης.
Μέθοδος Czochralski (CZ) Διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων
Πρώτα, η πρώτη ύλη θερμαίνεται μέχρι το σημείο τήξης της για να σχηματιστεί ένα λιωμένο διάλυμα.Εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας στην στερεή ρευστή διεπαφή μεταξύ του σπόρου και του λιωμένουΩς αποτέλεσμα, το λιώσιμο αρχίζει να στερεώνεται στην επιφάνεια του σπόρου και αναπτύσσεται σε ένα μόνο κρύσταλλο με την ίδια κρυσταλλική δομή με τον σπόρο.
Ταυτόχρονα, ο κρύσταλλος του σπόρου τραβάται αργά προς τα πάνω με ελεγχόμενη ταχύτητα ενώ περιστρέφεται με έναν ορισμένο ρυθμό.το λιωμένο διάλυμα συνεχίζει να στερεώνεται στη στερεή ρευστή διεπαφή, σχηματίζοντας τελικά ένα μονοκρυσταλλικό ίνγκο με συμμετρική περιστροφή.
Το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου Czochralski είναι ότι η διαδικασία ανάπτυξης του κρυστάλλου μπορεί να παρατηρηθεί εύκολα.που μειώνει σημαντικά την πίεση των κρυστάλλων και αποτρέπει την ανεπιθύμητη πυρήνα στα τοιχώματα του χωνευτήραΗ μέθοδος αυτή επιτρέπει επίσης την άνετη χρήση των κρυστάλλων σπόρων με προσανατολισμό και των τεχνικών "νεκάρισμα", οι οποίες μειώνουν σημαντικά την πυκνότητα εξάρθρωσης.
Ως εκ τούτου, οι κρυστάλλοι ζαφείριου που καλλιεργούνται με τη μέθοδο CZ παρουσιάζουν υψηλή δομική ακεραιότητα, και ο ρυθμός ανάπτυξής τους και το μέγεθος των κρυστάλλων είναι αρκετά ικανοποιητικό.Οι κρυστάλλοι ζαφείριου που παράγονται με αυτή τη μέθοδο έχουν σχετικά χαμηλή πυκνότητα εκτόξευσης και υψηλή οπτική ομοιομορφία.Τα κύρια μειονεκτήματα είναι το υψηλότερο κόστος και οι περιορισμοί της μέγιστης διάμετρος του κρυστάλλου.
Σημείωση:Αν και η μέθοδος CZ χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά για την εμπορική παραγωγή κρυστάλλων ζαφείρου, είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική ανάπτυξης κρυστάλλων στη βιομηχανία ημιαγωγών.Επειδή μπορεί να παράγει κρύσταλλους μεγάλης διαμέτρου, περίπου το 90% των μονοκρυσταλλικών ινλών πυριτίου καλλιεργούνται με τη μέθοδο CZ.
Μέθοδος σχήματος τήξης ∆έση EFG
Η μέθοδος Melt Shape, επίσης γνωστή ως μέθοδος Edge-defined Film-fed Growth (EFG), εφευρέθηκε ανεξάρτητα στη δεκαετία του 1960 από τον Harold LaBelle στο Ηνωμένο Βασίλειο και τον Stepanov στη Σοβιετική Ένωση.Η μέθοδος EFG είναι μια παραλλαγή της τεχνικής Czochralski και είναι μια τεχνολογία σχηματισμού σχήματος κοντά στο δίχτυ, που σημαίνει ότι αναπτύσσει κρυστάλλινα κενά απευθείας από το λιώσιμο στο επιθυμητό σχήμα.
Η μέθοδος αυτή όχι μόνο εξαλείφει τη βαριά μηχανική επεξεργασία που απαιτείται για τους συνθετικούς κρυστάλλους στη βιομηχανική παραγωγή, αλλά επίσης εξοικονομεί αποτελεσματικά πρώτες ύλες και μειώνει το κόστος παραγωγής.
Ένα βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου EFG είναι η αποτελεσματικότητα των υλικών και η ικανότητα ανάπτυξης κρυστάλλων διαφόρων ειδικών μορφών.χρησιμοποιείται πιο συχνά για την καλλιέργεια διαμορφωμένων ή πολύπλοκων υλικώνΜε τις πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις, η μέθοδος EFG άρχισε επίσης να εφαρμόζεται στην παραγωγή υποστρώματος για την επιταξία MOCVD, αντιπροσωπεύοντας ένα αυξανόμενο μερίδιο της αγοράς.
Μέθοδος ανταλλαγής θερμότητας ̇ μέθοδος HEM
Το 1969, οι F. Schmid και D. Viechnicki εφηύραν μια νέα τεχνική ανάπτυξης κρυστάλλων γνωστή ως μέθοδος Schmid-Viechnicki.
Η μέθοδος HEM είναι μία από τις πιο ώριμες μεθόδους για την καλλιέργεια μεγάλου μεγέθους, υψηλής ποιότητας κρυστάλλων ζαφείρου.Άξονας m, ή άξονας r, με την κατεύθυνση άξονα που χρησιμοποιείται πιο συχνά.
Αρχή
Η μέθοδος ανταλλαγής θερμότητας χρησιμοποιεί έναν εναλλάκτη θερμότητας για την απομάκρυνση της θερμότητας,δημιουργώντας μια κατακόρυφη κλίση θερμοκρασίας στη ζώνη ανάπτυξης κρυστάλλων με ψυχρότερες θερμοκρασίες στο κάτω μέρος και θερμότερες θερμοκρασίες στην κορυφήΜε τον έλεγχο της ροής αερίου μέσα στον εναλλάκτη θερμότητας (συνήθως ηλίου) και τη ρύθμιση της ισχύος θέρμανσης, η κλίση θερμοκρασίας αυτή διαχειρίζεται με ακρίβεια,επιτρέποντας στο λιώσιμο μέσα στο χωνευτήρα να στερεωθεί σταδιακά από το κάτω προς τα πάνω σε ένα κρύσταλλο.
Σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες ανάπτυξης κρυστάλλων, ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του HEM είναι ότι η στερεή-ρευστή διεπαφή βυθίζεται κάτω από την επιφάνεια του λιωμένου.οι θερμικές και μηχανικές διαταραχές κατασταλεί, με αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη κλίση θερμοκρασίας στην διεπαφή, η οποία προωθεί την ομοιόμορφη ανάπτυξη των κρυστάλλων και διευκολύνει την παραγωγή κρυστάλλων με υψηλή χημική ομοιομορφία.επειδή η αναψύξη in situ αποτελεί μέρος του κύκλου στερεώσεως HEM, η πυκνότητα ελαττωμάτων είναι συχνά χαμηλότερη από αυτή των άλλων μεθόδων.
Το μήνυμά σας πρέπει να αποτελείται από 20-3.000 χαρακτήρες!