Příprava monokrystalů metodou zónového ohřevu

Příprava monokrystalů metodou zónového ohřevu.

Mezi mnoha dalšími metodami patřícími do stejné rodiny jako Czochralského metoda, Měla by nás zajímat ještě jedna zónová metoda tavení. Tato metoda se používá pro dva různé účely: pěstování monokrystalů a čištění monokrystalů od škodlivých nečistot. Je to jedna z nejmladších metod - vyvinutá a používaná k čištění kovů teprve před třiceti lety, v roce 1952, Američanem W.. G. Pfanna, a až mnohem později se přizpůsobil kultivaci monokrystalů.

Polykrystalický, materiál skládající se z mnoha drobných krystalů, ze kterého chceme získat jediný krystal, je umístěn ve speciálním kelímku, loď ve tvaru lodi, vyroben z materiálu s vysokou teplotou tání, nereaktivní s materiálem monokrystalu, který se pěstuje, a vystaveno zahřívání.

Jedná se však o velmi speciální vytápění. Podle názvu metody se ohřívá pouze velmi úzká zóna materiálu, dokud se neroztaje. Pokud zahříváme, začínáme pouze na jednom konci materiálu, a zdroj vysoké teploty přesuneme na druhý konec, potom ji přivedeme k tavenině po celé její délce. Avšak pokaždé, když se zdroj tepla pohybuje, roztaje se pouze jeden, úzká vrstva materiálu. Před a za ní bude chladnější, teplota stoupá před zdrojem tepla - materiál se roztaví, a za putujícím zdrojem tepla teplota klesá – dříve roztavený materiál tuhne a krystalizuje. Když bude teplotní rozdíl mezi kapalnou vrstvou a tuhnoucí vrstvou a rychlost pohybu roztavené zóny odpovídajícím způsobem malá, monokrystal bude růst během tuhnutí.

Hlavně organické krystaly se pěstují zónovým tavením, ale také drahé kameny, a mezi nimi již známý syntetický yttrium-hliníkový granát. Tato metoda navíc usnadňuje přípravu monokrystalů YAG, protože nevyžaduje předchozí roztavení přísad. Stačí smíchat velmi jemně rozptýlené oxidy yttria a hliníku, zahřejte na nízkou teplotu pod určitým tlakem a spékáním vytvořte požadovaný tvar, např.. prát se. Tento válec se vloží do válce z křemenného skla, podrobíme proces zonovému tavení a získáme hotový monokrystal.

Stejným způsobem můžeme také získat jediný krystal… voda, tedy ledový válec s dokonale uspořádanou vnitřní strukturou. Rozdíl mezi krystalizací ledu a granátového jablka je pouze jednou teplotou zdroje tepla, což způsobuje tání zóny. V zónovém tavení se indukční ohřev používá stejným způsobem jako povrchové kalení oceli, a během krystalizace ledu… zmrazení.

Proces čištění monokrystalů metodou zónového tavení je identický, jako proces kultivace monokrystalů a je s ním neoddělitelně spojen. Při krystalizaci za kapalnou zónou jsou všechny nečistoty odpuzovány z povrchu rostoucího krystalu, což je přirozenou vlastností každého procesu krystalizace. Jediný, jak víme, podmínkou pro získání velmi čistých krystalů je, že rostou velmi pomalu. V procesu krystalizace rostoucí krystal přitahuje ionty, které potřebuje, atomy nebo molekuly, a odpuzuje cizí prvky. Pokud je tedy proces tavení zón dostatečně pomalý, všechny nečistoty zůstanou v roztavené zóně a budou se pohybovat s touto zónou na jeden konec krystalu. Když se staráme o velmi čisté krystaly, tento proces se několikrát opakuje, a konec jediného krystalu, ve kterém se shromáždily všechny nečistoty, řezali jsme.

Někdy se to však stává, zejména v případě drahokamů, že vědomě zavádíme kontaminanty do monokrystalů. Považujeme je za užitečné. Koneckonců, barva drahých kamenů závisí na znečištění. Stalo se to, že chceme rovnoměrně rozdělit nečistoty po celém objemu krystalu. To platí například pro. monokrystaly používané při konstrukci křišťálových laserů, tedy také stříbřitě zbarvený neodymový krystal YAG. Mělo by se v takových případech od metody tavení zóny upustit?? Naopak. Pomocí této metody můžeme dokonce zvýšit homogenitu distribuce kontaminace. Existuje jedna podmínka. Místo toho, aby se roztavená zóna pohybovala několikrát v jednom směru, jako v procesu čištění zóny, např.. z levého na pravý konec krystalu, několikrát roztavíme monokrystal, ale pohybovat zdrojem tepla střídavě jednou doleva, jednou doprava. Získáme homogenní monokrystal, ideální pro stavbu laseru.

Metoda zonálního tavení má také několik různých variací.

Kromě horizontálních metod existují i ​​metody vertikálního kelímku. Existují také vertikální nepojistné metody, ve kterém roztavená vrstva materiálu nespočívá na stěnách kelímku, a se nerozšíří do strany v důsledku povrchového napětí kapaliny. Stejný, který udržuje ocelovou jehlu jemně umístěnou na hladině vody.