Comparaison de plusieurs techniques de croissance des cristaux de saphir
Depuis que la première pierre précieuse synthétique a été produite par la méthode de fusion par flamme en 1902, diverses technologies pour la culture de cristaux de saphir synthétiques ont continuellement évolué.Plus d' une douzaine de méthodes de croissance de cristaux ont émergéLes méthodes suivantes sont utilisées: fusion à la flamme, méthode Czochralski (CZ) et méthode Kyropoulos (KY), entre autres.Actuellement, les principales techniques industrialisées comprennent la méthode de Kyropoulos, la méthode de Czochralski, la méthode de croissance par alimentation en film définie par bord (EFG) et la méthode de gel du gradient horizontal vertical (VHGF).La section suivante présentera plus en détail les techniques typiques de croissance des cristaux de saphir.
Méthode de fusion à la flamme (processus de Verneuil)
Le procédé de Verneuil, également connu sous le nom de méthode de fusion par flamme, a été nommé d'après le célèbre chimiste français Auguste Victor Louis Verneuil.Il est surtout connu pour avoir inventé la première méthode commercialisée pour synthétiser des pierres précieusesEn 1902, il a développé la technique de "fusion par flamme", qui est encore largement utilisée aujourd'hui comme méthode abordable pour produire des pierres précieuses synthétiques.
En tant que méthode la plus courante de production de pierres précieuses synthétiques sur le marché, la fusion par flamme n'est pas seulement utilisée pour synthétiser des rubis et des saphirs,mais s'applique également à la production de spinels synthétiques, rutile synthétique, rubis et saphirs synthétiques, et même titanate de strontium artificiel, entre autres.
Principe de fonctionnement
La méthode de fusion par flamme, en termes simples, utilise la température élevée générée par la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène.Une poudre en vrac d'oxyde d'aluminium (Al2O3) est introduite dans la flamme d'oxyhydrogèneLorsque la poudre crue passe à travers la flamme, elle fond instantanément en minuscules gouttelettes, qui tombent ensuite sur une tige de graines refroidie, où elles se solidifient et forment un seul cristal.
Le schéma suivant montre un schéma simplifié de l'appareil de croissance des cristaux de fusion par flamme.
Une condition essentielle pour synthétiser avec succès les pierres précieuses est l'utilisation de matières premières très pures, d'une pureté minimale de 99,9995%.l'oxyde d'aluminium (Al2O3) est le matériau primaireLes efforts sont généralement faits pour réduire la teneur en sodium, car les impuretés de sodium peuvent provoquer une turbidité et réduire la clarté de la pierre précieuse.des petites quantités d'impuretés d'oxyde différentes peuvent être ajoutéesPar exemple, l'oxyde de chrome est ajouté pour produire des rubis, tandis que l'oxyde de fer ou l'oxyde de titane est ajouté pour produire des saphirs bleus.et le titanate de strontium est formé par addition d'oxalate de titaneD'autres cristaux de valeur inférieure peuvent également être mélangés dans les matières premières.
Haute efficacité et faible coût!La méthode de fusion par flamme est une approche très efficace et peu coûteuse pour synthétiser des pierres précieuses artificielles.Il est considéré comme la méthode de croissance des cristaux la plus rapide parmi toutes les techniques de pierre précieuse synthétiqueLa taille des cristaux des pierres précieuses à base de corindon varie selon les espèces.généralement formant des cristaux en forme de boule de 150 à 750 carats (1 carat = 0.2 grammes), dont le diamètre atteint 1719 mm.
Comparés aux équipements utilisés dans d'autres méthodes de synthèse de pierres précieuses, les dispositifs de fusion à flamme sont les plus simples en structure.Cela rend le procédé de fusion à la flamme particulièrement adapté à la production à l'échelle industrielle et lui donne le rendement le plus élevé parmi toutes les méthodes de synthèse.
Cependant, les cristaux produits par la méthode de fusion par flamme présentent généralement des stries de croissance incurvées ou des bandes de couleurs ressemblant à la texture d'un disque phonographique,ainsi que des bulles caractéristiques en forme de perles ou de têtardsCes caractéristiques limitent leur application dans des domaines tels que l'optique et les semi-conducteurs.comme les bijoux, composants de montres et roulements d'instruments de précision.
En outre, en raison de son faible coût, les cristaux de saphir cultivés par la méthode de fusion par flamme peuvent également être utilisés comme semences ou matières premières pour d'autres méthodes de croissance des cristaux à base de fusion.
Méthode de Kyropoulos (méthode KY)
La méthode de Kyropoulos, abrégée en méthode KY, a été proposée pour la première fois par Kyropoulos en 1926 et utilisée initialement pour la croissance de grands cristaux d'halogénures, d'hydroxydes et de carbonates.Cette technique a été principalement appliquée à la préparation et à l'étude de tels cristaux.Dans les années 1960 et 1970, la méthode a été améliorée par le scientifique soviétique Musatov et adaptée avec succès pour la croissance de saphirs.il est considéré comme l'une des solutions les plus efficaces aux limites de la méthode de Czochralski pour produire de grands cristaux.
Les cristaux cultivés par la méthode de Kyropoulos sont de haute qualité et relativement peu coûteux, ce qui rend la technique bien adaptée à la production industrielle à grande échelle.Environ 70% des substrats de saphir utilisés dans le monde entier pour les applications LED sont cultivés à l'aide de la méthode de Kyropoulos ou de ses différentes versions modifiées..
Les cristaux simples cultivés par cette méthode ont généralement une apparence en forme de poire (voir figure ci-dessous),et le diamètre du cristal peut atteindre des tailles de seulement 10?? 30 mm plus petit que le diamètre intérieur du creusetLa méthode de Kyropoulos est actuellement l'une des techniques les plus efficaces et les plus matures pour la culture de cristaux simples de saphir de grand diamètre.Des cristaux de saphir de grande taille ont déjà été produits avec succès grâce à cette méthode..
Un récent article de presse a mis en évidence une percée dans ce domaine:
Le 22 décembre, le laboratoire de croissance des cristaux de Jing Sheng Crystals, en collaboration avec sa filiale Jinghuan Electronics,Le premier cristal de saphir ultra-grand, d'environ 700 kg, a été produit avec succès, marquant une étape majeure dans l'innovation..
Le processus de croissance des cristaux de Kyropoulos
Dans la méthode de Kyropoulos, la matière première est d'abord chauffée à son point de fusion pour former une solution fondue.Une seule graine de cristal (également connue sous le nom de tige de cristal de graine) est ensuite mise en contact avec la surface de la fonteÀ l'interface solide/liquide entre la graine et la fonte, un seul cristal avec la même structure de réseau que la graine commence à se développer.Le cristal de graine est lentement tiré vers le haut pendant une courte période pour former un col cristallin.
Une fois que la vitesse de solidification à l'interface entre la fonte et la graine devient stable, le tirage s'arrête et la graine ne tourne plus.le cristal continue de croître vers le bas en contrôlant progressivement la vitesse de refroidissementLe fondant se solidifie de haut en bas, ce qui donne lieu à la formation d'un lingot complet à cristal unique.
Caractéristiques de la méthode de Kyropoulos
La méthode de Kyropoulos repose fortement sur un contrôle précis de la température pour faire pousser des cristaux (le contrôle de la température est absolument critique!).Sa plus grande différence par rapport à la méthode de Czochralski réside dans le fait que seul le cou de cristal est tiré; le corps principal du cristal se développe grâce à des gradients de température contrôlés, sans perturbation supplémentaire de la traction ou de la rotation.
Pendant que le col de cristal est tiré, la puissance du chauffe-eau est soigneusement ajustée pour amener le matériau fondu dans la plage de température optimale pour la croissance du cristal.Cela permet d'atteindre un taux de croissance idéal, produisant finalement des cristaux simples de saphir de haute qualité avec une excellente intégrité structurelle.
Méthode de Czochralski Méthode CZ
La méthode Czochralski, également connue sous le nom de méthode CZ, est une technique où un cristal est cultivé en tirant lentement et en tournant un cristal de graine de la solution fondue contenue dans un creuset.Cette méthode a été découverte en 1916 par le chimiste polonais Jan CzochralskiDans les années 1950, les laboratoires Bell aux États-Unis l'ont développé pour la culture du germanium monocristallin,et il a ensuite été adopté par d' autres scientifiques pour la croissance des semi-conducteurs monocristaux tels que le silicium, ainsi que des cristaux simples métalliques et des pierres précieuses synthétiques.
La méthode CZ est capable de produire d'importants cristaux de pierres précieuses tels que le saphir incolore, le rubis, le grenat d'aluminium d'yttrium (YAG), le grenat de gallium de gadolinium (GGG), l'alexandrite et le spinel.
Comme l'une des techniques les plus importantes pour la culture de cristaux simples à partir de la fonte, la méthode de Czochralski a été largement adoptée, en particulier la variante impliquant des creusets à chauffage par induction.Selon le type de cristal cultivé, le matériau de creuset utilisé dans la méthode CZ peut être de l'iridium, du molybdène, du platine, du graphite ou d'autres oxydes à point de fusion élevé.Les creusets à iridium introduisent le moins de contamination au saphir, mais sont extrêmement chers.Les creusets au tungstène et au molybdène, bien que plus abordables, ont tendance à introduire des niveaux de contamination plus élevés.
Méthode Czochralski (CZ) Processus de croissance des cristaux
D'abord, la matière première est chauffée à son point de fusion pour former une solution fondue, puis une seule graine cristalline est mise en contact avec la surface de la fonte.En raison de la différence de température à l'interface solide/liquide entre la graine et la fonteEn conséquence, la fonte commence à solidifier sur la surface de la graine et se transforme en un seul cristal avec la même structure cristalline que la graine.
Dans le même temps, le cristal de graine est lentement tiré vers le haut à une vitesse contrôlée tout en étant tourné à une certaine vitesse.la solution fondue continue de solidifier à l'interface solide/liquide, formant finalement un lingot de cristal unique symétrique en rotation.
Le principal avantage de la méthode de Czochralski est que le processus de croissance du cristal peut être facilement observé.qui réduit de manière significative la contrainte cristalline et empêche la nucléation indésirable sur les parois du creusetLa méthode permet également d'utiliser des cristaux de graines orientés et des techniques de "necking", qui réduisent considérablement la densité de dislocation.
En conséquence, les cristaux de saphir cultivés par la méthode CZ présentent une grande intégrité structurelle, et leur taux de croissance et leur taille cristalline sont tout à fait satisfaisants.Les cristaux de saphir produits par cette méthode ont une densité de dislocation relativement faible et une homogénéité optique élevée.Les principaux inconvénients sont le coût plus élevé et les limites du diamètre maximum du cristal.
Nom de l'organisme:Bien que la méthode CZ soit moins couramment utilisée pour la production commerciale de cristaux de saphir, c'est la technique de croissance de cristaux la plus largement utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs.Parce qu' il peut produire des cristaux de grand diamètre, environ 90% des lingots de silicium monocristallin sont cultivés par la méthode CZ.
Méthode de la forme de fusion ️ Méthode EFG
La Melt Shape Method, également connue sous le nom de Edge-defined Film-fed Growth (EFG), a été inventée indépendamment dans les années 1960 par Harold LaBelle au Royaume-Uni et Stepanov en Union soviétique.La méthode EFG est une variante de la technique de Czochralski et est une technologie de formation de forme proche du filet, ce qui signifie qu'il produit des blancs de cristaux directement à partir de la fonte dans la forme désirée.
Cette méthode permet non seulement d'éliminer l'usinage mécanique lourd requis pour les cristaux synthétiques dans la production industrielle, mais aussi d'économiser efficacement des matières premières et de réduire les coûts de production.
L'un des principaux avantages de la méthode EFG est son efficacité en matière de matériaux et sa capacité à produire des cristaux de différentes formes spéciales.il est plus couramment utilisé pour la culture de matériaux en forme ou complexesAvec les récents progrès de la technologie, la méthode EFG a également commencé à être appliquée à la production de substrats pour l'épitaxie des MOCVD, représentant une part croissante du marché.
Méthode d'échange thermique Métode HEM
En 1969, F. Schmid et D. Viechnicki ont inventé une nouvelle technique de croissance des cristaux connue sous le nom de méthode Schmid-Viechnicki.
La méthode HEM est l'une des méthodes les plus matures pour la culture de saphirs de grande taille et de haute qualité.axis mUn schéma schématique du principe est présenté ci-dessous.
Principe
La méthode d'échange thermique utilise un échangeur de chaleur pour éliminer la chaleur,créer un gradient de température vertical dans la zone de croissance des cristaux avec des températures plus froides au bas et des températures plus chaudes au sommetEn contrôlant le débit de gaz à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (généralement l'hélium) et en réglant la puissance de chauffage, ce gradient de température est géré avec précision,permettant à la fonte à l'intérieur du creuset de solidifier progressivement du bas vers le haut en un cristal.
Comparé à d'autres processus de croissance des cristaux, une caractéristique remarquable du HEM est que l'interface solide-liquide est submergée sous la surface de fusion.les perturbations thermiques et mécaniques sont supprimées, résultant en un gradient de température uniforme à l'interface, ce qui favorise la croissance uniforme des cristaux et facilite la production de cristaux à grande uniformité chimique.parce que le recuit in situ fait partie du cycle de solidification HEM, la densité de défaut est souvent inférieure à celle des autres méthodes.
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