Vergelijking van verschillende groeitechnieken voor saffierkristallen
Sinds de eerste synthetische edelsteen werd geproduceerd door de vlamfusie methode in 1902, zijn verschillende technologieën voor het kweken van synthetische saffierkristallen voortdurend geëvolueerd.Er zijn meer dan een dozijn kristalgroeimethoden ontstaan.Deze methode heeft onder andere voordelen en nadelen en wordt in verschillende toepassingsgebieden gebruikt.Momenteel, de belangrijkste geïndustrialiseerde technieken zijn de Kyropoulos-methode, de Czochralski-methode, de Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) -methode en de Vertical Horizontal Gradient Freeze (VHGF) -methode.In het volgende deel worden de typische groeitechnieken van saffierkristallen nader geïntroduceerd.
Metode voor vlammenfusie (Verneuilproces)
Het Verneuil-proces, ook wel bekend als de vlamfusie methode, is vernoemd naar de beroemde Franse scheikundige Auguste Victor Louis Verneuil.Hij is vooral bekend om de uitvinding van de eerste commercieel haalbare methode voor het synthetiseren van edelstenenIn 1902 ontwikkelde hij de "vlamfusie"-techniek, die tot op de dag van vandaag nog steeds op grote schaal wordt gebruikt als betaalbare methode voor het produceren van synthetische edelstenen.
Als een van de meest voorkomende methoden voor de productie van synthetische edelstenen op de markt wordt de vlamfusie niet alleen gebruikt voor de synthese van robijnen en saffieren,maar geldt ook voor de productie van synthetische spinel, synthetisch rutiel, synthetische sterrenrubines en sterrensafieren, en zelfs kunstmatig strontiumtitanaat, onder andere.
Werkingsbeginsel
De vlammenfusie methode maakt in eenvoudige bewoordingen gebruik van de hoge temperatuur die ontstaat bij de verbranding van waterstof en zuurstof.Een los poeder van aluminiumoxide (Al2O3) wordt door de oxyhydrogenvlam gevoedAls het ruwe poeder door de vlam gaat, smelt het onmiddellijk in kleine druppels, die vervolgens op een afgekoelde zaadstaaf vallen, waar ze verstijven en een enkel kristal vormen.
Het volgende diagram toont een vereenvoudigd schema van de vlammenfusie-kristalgroeiapparatuur.
Een belangrijke voorwaarde voor de succesvolle synthese van edelstenen is het gebruik van zeer zuivere grondstoffen met een zuiverheid van minimaal 99,9995%.aluminiumoxide (Al2O3) is het primaire materiaalEr wordt meestal geprobeerd het natriumgehalte te verminderen, omdat natriumverontreinigingen troebelheid kunnen veroorzaken en de helderheid van de edelsteen kunnen verminderen.er kunnen kleine hoeveelheden verschillende oxideverontreinigingen worden toegevoegdVoor andere soorten wordt rutiel gevormd door titaniumdioxide toe te voegen, en voor andere soorten wordt rutiel gevormd door het aanvullen van een rubine.en strontiumtitanaat wordt gevormd door toevoeging van titaniumoxalaatAndere minder waardevolle kristallen kunnen ook worden gemengd in de uitgangsmaterialen.
Hoge efficiëntie en lage kosten!De vlammenfusie is een zeer efficiënte en goedkope methode om kunstmatige edelstenen te synthetiseren.Het wordt beschouwd als de snelste kristalgroeimethode onder alle synthetische edelstenen techniekenDe grootte van de kristallen van edelstenen op basis van korund varieert.meestal bolvormige kristallen van 150 tot 750 karaat (1 karaat = 0).2 gram), met een diameter van 17 ‰ 19 mm.
In vergelijking met apparatuur die wordt gebruikt bij andere methoden voor synthetische edelstenen, zijn vlamfusieapparaten de eenvoudigste in structuur.Dit maakt het vlamfusieproces bijzonder geschikt voor industriële productie en geeft het de hoogste opbrengst van alle synthetische methoden.
Echter, kristallen geproduceerd door de vlam fusie methode typisch vertonen gebogen groei striaties of kleurbanden die lijken op de textuur van een grammofoon plaat,alsmede karakteristieke kralenvormige of knoppenvormige belletjesDeze eigenschappen beperken de toepassing ervan op gebieden als optica en halfgeleiders.zoals juwelen, horlogekomponenten en lagers voor precisieinstrumenten.
Bovendien kunnen saffierkristallen die met de vlamfusiemethode worden geteeld, vanwege hun lage kosten ook worden gebruikt als zaad of als uitgangsmateriaal voor andere op smelt gebaseerde kristallengroeimethoden.
Kyropoulos-methode (KY-methode)
De Kyropoulos-methode, afgekort als de KY-methode, werd voor het eerst voorgesteld door Kyropoulos in 1926 en werd aanvankelijk gebruikt voor de groei van grote halogenidekristallen, hydroxiden en carbonaten.Deze techniek werd hoofdzakelijk toegepast bij de bereiding en het bestuderen van dergelijke kristallen.In de jaren zestig en zeventig werd de methode verbeterd door de Sovjetwetenschapper Musatov en met succes aangepast voor de groei van saffier enkelkristallen.het wordt beschouwd als een van de meest effectieve oplossingen voor de beperkingen van de Czochralski-methode bij het produceren van grote kristallen.
De door de methode van Kyropoulos geteelde kristallen zijn van hoge kwaliteit en relatief lage kosten, waardoor de techniek zeer geschikt is voor grootschalige industriële productie.ongeveer 70% van de wereldwijd gebruikte saffiersubstraten voor LED-toepassingen worden geteeld met behulp van de Kyropoulos-methode of de verschillende gewijzigde versies ervan.
De met deze methode geteelde enkelkristallen hebben meestal een peervormig uiterlijk (zie onderstaande figuur).en de kristaldiameter kan afmetingen bereiken die slechts 10~30 mm kleiner zijn dan de binnendiameter van de smeltkroesDe methode van Kyropoulos is momenteel een van de meest effectieve en volwassen technieken voor het kweken van grote zaffirkristallen.Met deze methode zijn al met succes grote saffierkristallen geproduceerd.
Een recent nieuwsbericht wees op een doorbraak op dit gebied:
Op 22 december heeft het Crystal Growth Laboratory van Jing Sheng Crystals, in samenwerking met haar dochteronderneming Jinghuan Electronics,Het bedrijf heeft met succes het eerste ultragrote saffierkristal met een gewicht van ongeveer 700 kg geproduceerd..
Kristallengroeiproces van Kyropoulos
Bij de Kyropoulos-methode wordt de grondstof eerst verhit tot het smeltpunt om een gesmolten oplossing te vormen.Een enkel kristalzaad (ook bekend als een zaadkristalstaaf) wordt vervolgens in contact gebracht met het oppervlak van de smeltBij de vaste/vloeibare interface tussen het zaad en de smeltstof begint een enkel kristal met dezelfde roosterstructuur als het zaad te groeien.De zaadkristal wordt langzaam naar boven getrokken voor een korte periode om een kristalhals te vormen.
Zodra de verhardingssnelheid op de interface tussen de smelt en het zaad stabiel is, stopt het trekken en wordt het zaad niet meer gedraaid.het kristal blijft groeien naar beneden door geleidelijk de koeling snelheid te regelenDit resulteert in de vorming van een compleet enkelkristallijn.
Kenmerken van de Kyropoulos-methode
De methode van Kyropoulos is sterk afhankelijk van nauwkeurige temperatuurcontrole om kristallen te laten groeien (temperatuurcontrole is absoluut cruciaal!).Het grootste verschil met de Czochralski methode ligt in het feit dat alleen de kristalhals wordt getrokkenDe kern van het kristal groeit door middel van gecontroleerde temperatuurgradiënten, zonder de extra storing van trekken of draaien.
Terwijl de kristalhals wordt getrokken, wordt het vermogen van de verwarmer zorgvuldig aangepast om het gesmolten materiaal in het optimale temperatuurbereik voor kristalgroei te brengen.Dit draagt bij tot een optimale groeipercentage, waardoor uiteindelijk kwalitatief hoogwaardige sapphirenkristallen met een uitstekende structurele integriteit worden geproduceerd.
Czochralski-methode CZ-methode
De Czochralski-methode, ook bekend als de CZ-methode, is een techniek waarbij een kristal wordt gekweekt door langzaam een zaadkristal uit de gesmolten oplossing in een smeltkroes te trekken en te draaien.Deze methode werd voor het eerst ontdekt in 1916 door de Poolse scheikundige Jan CzochralskiIn de jaren 50 ontwikkelde Bell Laboratories in de Verenigde Staten het voor het kweken van enkelkristallig germanium.En het werd later door andere wetenschappers overgenomen voor het kweken van halfgeleider enkelvoudige kristallen zoals silicium., evenals metalen enkelkristallen en synthetische edelstenen.
De CZ-methode is in staat om belangrijke edelsteenkristallen te produceren, zoals kleurloze saffier, robijn, yttrium-aluminiumgranat (YAG), gadolinium-galliumgranat (GGG), alexandriet en spinel.
Als een van de belangrijkste technieken voor het kweken van enkelvoudige kristallen uit de smelt is de Czochralski methode op grote schaal toegepast, met name de variant met inductieverwarmingskruisen.Afhankelijk van het soort kristal dat wordt geteeldHet in de CZ-methode gebruikte smeltmateriaal kan iridium, molybdeen, platina, grafiet of andere oxiden met een hoog smeltpunt zijn.Iridium-kruiken brengen de minste verontreiniging van saffieren met zich mee, maar zijn extreem duur.Hoewel wolfraam- en molybdeenketels betaalbaarder zijn, hebben ze de neiging om hogere verontreinigingsniveaus te introduceren.
Czochralski (CZ) methode Kristalgroeiproces
Eerst wordt de grondstof tot het smeltpunt verhit om een gesmolten oplossing te vormen.Door het temperatuurverschil op de vaste/vloeibare interface tussen het zaad en de smeltAls gevolg hiervan begint de smelt op het zaadoppervlak te vervagen en groeit er een enkel kristal met dezelfde kristallenstructuur als het zaad.
Tegelijkertijd wordt het zaadkristal langzaam naar boven getrokken met een gecontroleerde snelheid terwijl het met een bepaalde snelheid wordt gedraaid.de gesmolten oplossing blijft verstijven op de vaste/vloeibare grens, waardoor uiteindelijk een rotatie-symmetrisch enkelkristallijn wordt gevormd.
Het belangrijkste voordeel van de Czochralski methode is dat het kristalgroeiproces gemakkelijk kan worden waargenomen.die de kristalspanning aanzienlijk vermindert en ongewenste nucleatie op de smeltmuren voorkomtDe methode maakt ook het gebruik van georiënteerde zaadkristallen en "necking"-technieken mogelijk, die de dislocatie dichtheid aanzienlijk verminderen.
Als gevolg hiervan vertonen de met de CZ-methode geteelde saffierkristallen een hoge structurele integriteit en zijn hun groeisnelheid en kristalgrootte vrij bevredigend.met deze methode geproduceerde saffierkristallen hebben een relatief lage dislocatie-dichtheid en een hoge optische uniformiteitDe belangrijkste nadelen zijn hogere kosten en beperkingen op de maximale kristaldiameter.
Opmerking:Hoewel de CZ-methode minder vaak wordt gebruikt voor de commerciële productie van saffierkristallen, is het de meest gebruikte kristalgroeitechniek in de halfgeleiderindustrie.Omdat het kristallen van grote diameter kan produceren., wordt ongeveer 90% van de enkelkristallieke siliciumbalken met de CZ-methode gekweekt.
Metode voor de vorm van de smeltvorm EFG-methode
De Melt Shape-methode, ook wel bekend als de Edge-defined Film-fed Growth (EFG) -methode, werd onafhankelijk uitgevonden in de jaren 1960 door Harold LaBelle in het Verenigd Koninkrijk en Stepanov in de Sovjet-Unie.De EFG-methode is een variatie van de Czochralski-techniek en is een bijna netvormende technologie, wat betekent dat het kristalholtes direct uit de smelt in de gewenste vorm groeit.
Deze methode elimineert niet alleen de zware mechanische bewerking die voor synthetische kristallen in de industriële productie vereist is, maar bespaart ook effectief grondstoffen en verlaagt de productiekosten.
Een belangrijk voordeel van de EFG-methode is de materiaaldoeltreffendheid en de mogelijkheid om kristallen van verschillende speciale vormen te laten groeien.het wordt vaker gebruikt voor het kweken van gevormd of complex materiaalMet de recente technologische vooruitgang is de EFG-methode ook begonnen te worden toegepast voor de productie van substraten voor MOCVD-epitaxie, die een groeiend marktaandeel vertegenwoordigen.
Warmte-uitwisselingsmethode HEM-methode
In 1969 vonden F. Schmid en D. Viechnicki een nieuwe kristalgroeitechniek uit die bekend staat als de Schmid-Viechnicki methode.
De HEM is een van de meest volwassen methoden voor het kweken van grote, hoogwaardige saffierkristallen.m-asEen schematisch diagram van het principe wordt hieronder weergegeven.
Beginsel
De warmte-uitwisselingsmethode maakt gebruik van een warmtewisselaar om warmte te verwijderen,het creëren van een verticale temperatuurgradiënt in de kristalgroeizone met koelere temperaturen onderaan en warmere temperaturen bovenaanDoor de gasstroom in de warmtewisselaar (meestal helium) te regelen en het verwarmingsvermogen aan te passen, wordt deze temperatuurgradiënt nauwkeurig beheerd.waardoor de smelt in de smeltkroes geleidelijk van onderaf naar boven in een kristal verstevigd wordt.
In vergelijking met andere kristalgroeiprocessen is een opmerkelijk kenmerk van HEM dat de vaste-vloeibare interface onder het smeltoppervlak is ondergedompeld.thermische en mechanische storingen worden onderdrukt, wat resulteert in een uniforme temperatuurgradiënt aan de interface, die een uniforme kristalgroei bevordert en de productie van kristallen met een hoge chemische uniformiteit vergemakkelijkt.omdat in-situ gloeiing deel uitmaakt van de HEM-verhardingscyclus, is de defectdichtheid vaak lager dan bij andere methoden.
Uw bericht moet tussen de 20-3.000 tekens bevatten!