Сравнение нескольких методов выращивания сапфировых кристаллов
С тех пор как в 1902 году был изготовлен первый синтетический драгоценный камень методом пламенного синтеза, различные технологии выращивания синтетических кристаллов сапфира постоянно развивались.Появилось более десятка методов выращивания кристаллов, включая пламенный синтез, метод Цокральски (CZ) и метод Киропулоса (KY), среди прочих.В настоящее время, основные промышленно развитые методы включают метод Киропулоса, метод Цокральски, метод Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) и метод вертикального горизонтального градиента замораживания (VHGF).В следующем разделе будут более подробно представлены типичные методы выращивания сапфировых кристаллов.
Метод пламенного синтеза (процесс Вернейла)
Процесс Вернеуля, также известный как метод пламенного синтеза, был назван в честь известного французского химика Огюста Виктора Луиса Вернеуля.Он известен тем, что изобрел первый коммерчески жизнеспособный метод синтеза драгоценных камнейВ 1902 году он разработал метод "пламенного синтеза", который до сих пор широко используется сегодня как доступный метод производства синтетических драгоценных камней.
Как один из наиболее распространенных методов производства синтетических драгоценных камней на рынке, метод пламенного синтеза используется не только для синтеза рубинов и сапфиров,но также относится к производству синтетического спинеля, синтетический рутил, синтетические звездные рубины и звездные сапфиры, и даже искусственный стронций титанат, среди прочего.
Рабочий принцип
Метод пламенного синтеза, проще говоря, использует высокую температуру, создаваемую сжиганием водорода и кислорода.В огне оксивоводорода подается свободный порошок оксида алюминия (Al2O3)Когда сырой порошок проходит через пламя, он мгновенно расплавляется в крошечные капли, которые затем падают на охлажденный семенной стержень, где они затвердевают и образуют один кристалл.
На следующей схеме показана упрощенная схема аппарата для выращивания кристаллов пламенного синтеза.
Ключевым условием успешного синтеза драгоценных камней является использование высокочистых сырья с минимальной чистотой 99,9995%.алюминиевый оксид (Al2O3) является основным материаломОбычно предпринимаются усилия по снижению содержания натрия, поскольку примеси натрия могут вызывать туманность и уменьшать прозрачность драгоценного камня.могут быть добавлены небольшие количества различных примеси оксидовНапример, оксид хрома добавляется для производства рубинов, в то время как оксид железа или оксид титана добавляются для производства синих сапфиров.и стронций титанат образуется путем добавления оксалата титанаДругие кристаллы более низкой стоимости также могут быть смешаны в исходные материалы.
Высокая эффективность и низкая стоимость! Метод пламенного синтеза является высокоэффективным и недорогим способом синтеза искусственных драгоценных камней.Считается самым быстрым методом роста кристаллов среди всех синтетических драгоценных камней, что позволяет производить большие кристаллы за короткое время, можно выращивать около 10 граммов кристалла в час.обычно образующие шарикообразные кристаллы в диапазоне от 150 до 750 карата (1 карата = 0.2 грамм), диаметры которых достигают 1719 мм.
По сравнению с оборудованием, используемым в других методах синтетического драгоценного камня, устройства пламенного синтеза являются самыми простыми по структуре.Это делает процесс пламенного синтеза особенно подходящим для промышленного производства и дает ему самый высокий урожай среди всех синтетических методов.
Тем не менее, кристаллы, полученные методом пламенного синтеза, обычно проявляют изогнутые полоски роста или цветовые полосы, напоминающие текстуру фонограммы,а также характерные шарикообразные или пузырькообразные пузыриЭти особенности ограничивают их применение в таких областях, как оптика и полупроводники.например, украшения., часы и подшипники высокоточных приборов.
Кроме того, из-за низкой стоимости кристаллы сапфира, выращенные методом пламенного синтеза, также могут использоваться в качестве семян или исходных материалов для других методов выращивания кристаллов на основе плавления.
Метод Киропулоса (метод KY)
Метод Киропулоса, сокращенный как метод KY, был впервые предложен Киропулосом в 1926 году и первоначально использовался для роста больших галидных кристаллов, гидроксидов и карбонатов.Эта техника применялась в основном для подготовки и изучения таких кристаллов.В 1960-х и 1970-х годах метод был усовершенствован советским ученым Мусатовым и успешно адаптирован для роста сапфировых одиночных кристаллов.он считается одним из самых эффективных решений ограничений метода Цохральского в производстве больших кристаллов.
Кристаллы, выращенные методом Киропулоса, имеют высокое качество и относительно низкую стоимость, что делает эту технику хорошо подходящей для крупномасштабного промышленного производства.Около 70% сапфировых субстратов, используемых во всем мире для светодиодных приложений, выращиваются с использованием метода Киропулоса или его различных модифицированных версий..
Однокристаллы, выращенные этим методом, обычно имеют грушевидный вид (см. рисунок ниже).и диаметр кристалла может достигать размеров всего 10 ≈ 30 мм меньше внутреннего диаметра тигленкаМетод Киропулоса в настоящее время является одним из наиболее эффективных и зрелых методов выращивания одиночных кристаллов сапфира большого диаметра.С помощью этого метода уже успешно изготовлены большие кристаллы сапфира.
Недавний репортаж в новостях показал прорыв в этой области:
22 декабря лаборатория кристаллического роста Jing Sheng Crystals в сотрудничестве со своей дочерней компанией Jinghuan Electronics,Успешно произведен первый сверхбольшой кристалл сапфира весом около 700 кг, что является важной вехой в области инноваций..
Процесс роста кристаллов Киропулоса
В методе Киропулоса сырье сначала нагревается до точки плавления, чтобы сформировать расплавленный раствор.Затем одно кристаллическое семя (также известное как кристаллический стержень семени) вступает в контакт с поверхностью плавильного материалаНа твердом/жидком интерфейсе между семенем и расплавлением начинает расти один кристалл с той же решетчатой структурой, что и семя.Кристалл семена медленно поднимается вверх на короткий период, чтобы сформировать кристаллическую шею.
Как только скорость затвердевания на границе между плавильным материалом и семенем становится стабильной, тяга прекращается, и семена больше не вращаются.кристалл продолжает расти вниз путем постепенного контроля скорости охлажденияЭто приводит к образованию полного однокристаллического слитка.
Характеристики метода Киропулоса
Метод Киропулоса в значительной степени опирается на точное управление температурой для выращивания кристаллов (контроль температуры абсолютно критичен!).Его самое большое отличие от метода Цохральского заключается в том, что только кристаллическая шея тянется; основное тело кристалла растет через контролируемые температурные градиенты, без дополнительных нарушений при тяге или вращении.
В то время как кристаллическая шея тянется, мощность нагревателя тщательно регулируется, чтобы привести расплавленный материал в оптимальный температурный диапазон для роста кристалла.Это помогает достичь идеального темпа роста, в конечном итоге получают высококачественные однокристаллы сапфира с отличной структурной целостностью.
Метод Цохральского ∆ метод CZ
Метод Цохральски, также известный как метод CZ, - это метод выращивания кристалла путем медленного вытягивания и вращения семенного кристалла из расплавленного раствора, содержащегося в тигеле.Этот метод был впервые открыт в 1916 году польским химиком Яном Чохральски.В 1950-х годах лаборатория Белла в США разработала его для выращивания однокристаллического германия.и позже был принят другими учеными для выращивания полупроводниковых одиночных кристаллов, таких как кремний, а также металлические однокристаллы и синтетические драгоценные камни.
Метод CZ способен производить важные кристаллы драгоценных камней, такие как бесцветный сапфир, рубин, итриевый алюминиевый гранат (YAG), гадолиниевый галлиевый гранат (GGG), александрит и спинель.
Как один из наиболее важных методов выращивания одиночных кристаллов из расплава, метод Цохральского был широко принят, особенно вариант, включающий индукционные нагревательные тигли.В зависимости от типа выращиваемого кристалла, используемый в методе CZ материал для тигли может быть иридием, молибденом, платиной, графитом или другими оксидами с высокой температурой плавления.Иридийные тигли вводят наименьшее загрязнение сапфира, но чрезвычайно дорогиВольфрамовые и молибденовые тигли, хотя и более доступные по цене, имеют тенденцию вводить более высокие уровни загрязнения.
Процесс роста кристаллов методом Цохральского (CZ)
Сначала сырье нагревают до температуры плавления, чтобы сформировать расплавленный раствор.Из-за температурной разницы на твердом/жидком интерфейсе между семенем и расплавлениемВ результате расплавление начинает затвердевать на поверхности семян и вырастает в один кристалл с той же кристаллической структурой, что и семена.
В то же время кристалл семени медленно поднимается вверх с контролируемой скоростью, вращаясь с определенной скоростью.расплавленный раствор продолжает затвердевать на твердом/жидком уровне., в конечном итоге образуя вращающе-симметричный однокристаллический слиток.
Главное преимущество метода Цокральского заключается в том, что процесс роста кристалла может быть легко наблюдаемым.который значительно уменьшает кристаллическое напряжение и предотвращает нежелательное ядерное образование на стенах тигналаМетод также удобно позволяет использовать ориентированные кристаллы семян и методы "нека", которые значительно снижают плотность вывихов.
В результате кристаллы сапфира, выращенные методом CZ, демонстрируют высокую структурную целостность, а их скорость роста и размер кристалла довольно удовлетворительны.кристаллы сапфира, полученные этим методом, имеют относительно низкую плотность дислокации и высокую оптическую однородностьОсновными недостатками являются более высокая стоимость и ограничения на максимальный диаметр кристалла.
Примечание:Хотя метод CZ реже используется для коммерческого производства сапфировых кристаллов, он является наиболее широко используемым методом выращивания кристаллов в полупроводниковой промышленности.Потому что он может производить кристаллы большого диаметра, примерно 90% монокристаллических слитков кремния выращиваются методом CZ.
Метод формы плавления ≈ метод EFG
Метод формы плавления, также известный как Edge-defined Film-fed Growth (EFG) метод, был независимо изобретен в 1960-х годах Гарольдом Лабеллем в Великобритании и Степановым в Советском Союзе.Метод EFG является вариацией метода Czochralski и представляет собой технологию формирования почти сетевой формы., то есть выращивает кристаллические пустоты непосредственно из расплавленного материала в желаемую форму.
Этот метод не только устраняет тяжелую механическую обработку, необходимую для синтетических кристаллов в промышленном производстве, но и эффективно экономит сырье и снижает затраты на производство.
Ключевым преимуществом метода EFG является его эффективность в использовании материалов и способность выращивать кристаллы различных специальных форм.он чаще используется для выращивания сложных или сложных материаловС последними достижениями в области технологий метод EFG также начал применяться для производства субстратов для эпитаксии MOCVD, на долю которого приходится растущая доля рынка.
Метод теплообмена ≈ метод HEM
В 1969 году Ф. Шмид и Д. Виеницки изобрели новый метод роста кристаллов, известный как метод Шмида-Виеницки.
HEM является одним из самых зрелых методов для выращивания крупных, высококачественных сапфировых кристаллов.m-ось, или r-оси, с направлением оси наиболее часто используется.
Принцип
Метод теплообмена использует теплообменник для удаления тепла,создание вертикального температурного градиента в зоне роста кристаллов с более холодными температурами внизу и более горячими температурами вверхуУправляя потоком газа внутри теплообменника (обычно гелия) и регулируя нагревательную мощность, этот температурный градиент управляется точно,позволяя расплавленному внутри тигреня постепенно затвердевать снизу вверх в кристалл.
По сравнению с другими процессами роста кристаллов, примечательная особенность HEM заключается в том, что твердо-жидкий интерфейс погружается ниже поверхности плавления.Термические и механические нарушения подавляются., что приводит к равномерному температурному градиенту на интерфейсе, что способствует равномерному росту кристаллов и облегчает производство кристаллов с высокой химической однородностью.потому что отжигание на месте является частью цикла затвердевания HEM, плотность дефектов часто ниже, чем у других методов.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!