Herstellung von Einkristallen durch Zonenheizverfahren.
Unter vielen anderen Methoden, die zur gleichen Familie wie die Czochralski-Methode gehören, Wir sollten an einer weiteren Zonenschmelzmethode interessiert sein. Diese Methode wird für zwei verschiedene Zwecke verwendet: Züchtung von Einkristallen und Reinigung von Einkristallen von schädlichen Verunreinigungen. Es ist eine der jüngsten Methoden - erst vor dreißig Jahren entwickelt und verwendet, um Metalle zu reinigen, im Jahr 1952, vom Amerikaner W.. G. Pfanna, und erst viel später an die Kultivierung von Einkristallen angepasst.
Polykristallin, Material bestehend aus vielen winzigen Kristallen, aus dem wir einen Einkristall bekommen wollen, wird in einen speziellen Tiegel gelegt, ein bootförmiges Gefäß, aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, nicht reaktiv mit dem Material des gezüchteten Einkristalls, und erhitzt.
Dies ist jedoch eine ganz besondere Heizung. Dem Namen des Verfahrens entsprechend wird nur eine sehr enge Zone des Materials erhitzt, bis es schmilzt. Wenn wir heizen, gehen wir nur von einem Ende des Materials aus, und wir werden die Quelle der hohen Temperatur zum anderen Ende verschieben, dann bringen wir es auf ganzer Länge zum Schmelzen. Jedes Mal, wenn sich die Wärmequelle bewegt, schmilzt jedoch nur eine, schmale Materialschicht. Vor und hinter ihr wird es kühler, die Temperatur steigt vor der Wärmequelle - das Material wird geschmolzen, und hinter der wandernden Wärmequelle sinkt die Temperatur – das zuvor geschmolzene Material erstarrt und kristallisiert. Wenn der Temperaturunterschied zwischen der Flüssigkeitsschicht und der Erstarrungsschicht und die Bewegungsgeschwindigkeit der Schmelzzone entsprechend klein sind, der Einkristall wächst während der Erstarrung.
Durch Zonenschmelzen werden hauptsächlich organische Kristalle gezüchtet, aber auch Edelsteine, und darunter der bereits bekannte synthetische Yttrium-Aluminium-Granat. Darüber hinaus erleichtert diese Methode die Herstellung von YAG-Einkristallen, weil es kein vorheriges Schmelzen der Zutaten erfordert. Es genügt, sehr feinteilige Yttrium- und Aluminiumoxide zu mischen, unter einem bestimmten Druck auf eine niedrige Temperatur erhitzen und durch Sintern in die gewünschte Form bringen, z.B.. Kampf. Diese Walze wird in den Zylinder aus Quarzglas eingesetzt, wir unterziehen den Prozess dem Zonenschmelzen und wir erhalten einen fertigen Einkristall.
Auf die gleiche Weise können wir auch einen Einkristall erhalten… Wasser, also ein Eisroller mit perfekt geordneter Innenstruktur. Der Unterschied zwischen Eis- und Granatapfelkristallisation ist nur eine Temperatur der Wärmequelle, was zum Zonenschmelzen führt. Beim Zonenschmelzverfahren wird die Induktionserwärmung wie beim Oberflächenhärten von Stahl eingesetzt, und während der Eiskristallisation… Einfrieren.
Der Prozess der Reinigung von Einkristallen nach dem Zonenschmelzverfahren ist identisch, wie die Einkristallzüchtung und ist damit untrennbar verbunden. Bei der Kristallisation hinter der Flüssigkeitszone werden alle Verunreinigungen von der Oberfläche des wachsenden Kristalls abgestoßen, was ein natürliches Merkmal jedes Kristallisationsprozesses ist. Der Einzige, wie wir wissen, Voraussetzung für die Gewinnung sehr reiner Kristalle ist, dass sie sehr langsam wachsen. Bei der Kristallisation zieht der wachsende Kristall die benötigten Ionen an, Atome oder Moleküle, und es weist fremde Elemente ab. Wenn also der Zonenschmelzprozess langsam genug ist, alle Verunreinigungen verbleiben in der Schmelzzone und wandern mit dieser Zone zu einem Ende des Kristalls. Wenn uns sehr reine Kristalle wichtig sind, dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, und das Ende eines Einkristalls, in dem sich alle Unreinheiten angesammelt haben, wir schneiden.
Allerdings kommt es manchmal vor, besonders bei Edelsteinen, dass wir bewusst Verunreinigungen in Einkristalle einbringen. Wir finden sie nützlich. Schließlich hängt die Farbe der Edelsteine von der Verschmutzung ab. Es passiert, dass wir die Verunreinigungen gleichmäßig über das gesamte Volumen des Kristalls verteilen möchten. Dies gilt zum Beispiel für. Einkristalle für den Bau von Kristalllasern, somit auch ein silbrig gefärbter Neodym-YAG-Kristall. Soll in solchen Fällen auf das Zonenschmelzverfahren verzichtet werden?? Andererseits. Mit dieser Methode können wir sogar die Homogenität der Kontaminationsverteilung erhöhen. Es gibt eine Bedingung. Anstatt die geschmolzene Zone mehrmals in eine Richtung zu bewegen, wie beim zonalen Reinigungsprozess, z.B.. vom linken zum rechten Ende des Kristalls, wir schmelzen den Einkristall mehrmals, aber die Wärmequelle abwechselnd einmal nach links verschieben, einmal nach rechts. Wir erhalten einen homogenen Einkristall, perfekt für den Bau eines Lasers.
Das zonale Schmelzverfahren hat auch mehrere verschiedene Variationen.
Neben den horizontalen Verfahren gibt es vertikale Tiegelverfahren. Es gibt auch vertikale Nichttiegelmethoden, bei denen die geschmolzene Materialschicht nicht an den Wänden des Tiegels anliegt, a breitet sich aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit nicht seitwärts aus. Das gleiche, wodurch die Stahlnadel zart auf der Wasseroberfläche gehalten wird.