Preparazione di cristalli singoli mediante metodo di riscaldamento a zona

Preparazione di cristalli singoli mediante metodo di riscaldamento a zona.

Tra molti altri metodi appartenenti alla stessa famiglia del metodo Czochralski, Dovremmo essere interessati a un altro metodo di fusione delle zone. Questo metodo viene utilizzato per due scopi diversi: far crescere i singoli cristalli e purificare i singoli cristalli dalle impurità nocive. È uno dei metodi più giovani - sviluppato e utilizzato per purificare i metalli solo trent'anni fa, nell'anno 1952, dall'americano W.. G. Pfanna, e solo molto più tardi adattato alla coltivazione di cristalli singoli.

Policristallino, materiale costituito da tanti minuscoli cristalli, da cui vogliamo ottenere un singolo cristallo, è posto in un crogiolo speciale, una nave a forma di barca, fatto di un materiale con un alto punto di fusione, non reattivo con il materiale del singolo cristallo in crescita, e sottoposto a riscaldamento.

Tuttavia, questo è un riscaldamento molto speciale. Secondo il nome del metodo, solo una zona molto stretta del materiale viene riscaldata fino a quando non si scioglie. Se riscaldiamo, partiamo da una sola estremità del materiale, e sposteremo la sorgente di alta temperatura verso l'altra estremità, poi lo facciamo sciogliere per tutta la sua lunghezza. Tuttavia, ogni volta che la fonte di calore si muove, solo una si scioglierà, sottile strato di materiale. Sarà più fresco davanti e dietro di lei, la temperatura sale davanti alla fonte di calore - il materiale si scioglie, e dietro la fonte di calore viaggiante, la temperatura scende – il materiale precedentemente fuso si solidifica e cristallizza. Quando la differenza di temperatura tra lo strato liquido e lo strato di solidificazione e la velocità di movimento della zona fusa sarà corrispondentemente piccola, il singolo cristallo crescerà durante la solidificazione.

Principalmente i cristalli organici vengono coltivati ​​per fusione a zone, ma anche pietre preziose, e tra questi il ​​già noto granato di ittrio-alluminio sintetico. Inoltre, questo metodo facilita la preparazione di cristalli singoli YAG, perché non richiede la preventiva fusione degli ingredienti. È sufficiente mescolare ittrio e ossidi di alluminio molto finemente suddivisi, riscaldare a bassa temperatura sotto una certa pressione e dare la forma desiderata mediante sinterizzazione, per esempio.. combattimento. Questo rullo è inserito nel cilindro in vetro di quarzo, sottoponiamo il processo a fusione a zone e otteniamo un monocristallo finito.

Allo stesso modo, possiamo anche ottenere un singolo cristallo… acqua, quindi un rullo di ghiaccio con una struttura interna perfettamente ordinata. La differenza tra la cristallizzazione del ghiaccio e quella del melograno è solo una temperatura della fonte di calore, che provoca la fusione della zona. Nel processo di fusione a zone, il riscaldamento a induzione viene utilizzato allo stesso modo dell'indurimento superficiale dell'acciaio, e durante la cristallizzazione del ghiaccio… congelamento.

Il processo di purificazione dei singoli cristalli con il metodo della fusione a zone è identico, come il processo di coltivazione del singolo cristallo ed è inseparabilmente connesso con esso. Quando si cristallizza a valle della zona liquida, tutte le impurità vengono respinte dalla faccia del cristallo in crescita, che è una caratteristica naturale di qualsiasi processo di cristallizzazione. L'unico, come sappiamo, la condizione per ottenere cristalli purissimi è che crescano molto lentamente. Nel processo di cristallizzazione, il cristallo in crescita attrae gli ioni di cui ha bisogno, atomi o molecole, e respinge gli elementi estranei. Quindi, se il processo di fusione zonale è abbastanza lento, tutte le impurità rimarranno nella zona fusa e si sposteranno con questa zona ad un'estremità del cristallo. Quando abbiamo a cuore i cristalli purissimi, questo processo viene ripetuto più volte, e la fine di un singolo cristallo, in cui si sono raccolte tutte le impurità, tagliamo.

Tuttavia, a volte capita, soprattutto nel caso delle pietre preziose, che introduciamo consapevolmente contaminanti nei singoli cristalli. Li troviamo utili. Dopotutto, il colore delle pietre preziose dipende dall'inquinamento. Succede, che vogliamo distribuire uniformemente le impurità su tutto il volume del cristallo. Questo vale, ad esempio, per. cristalli singoli utilizzati nella costruzione di laser a cristallo, quindi anche un cristallo YAG al neodimio di colore argenteo. Il metodo della fusione a zone dovrebbe essere abbandonato in questi casi?? Anzi. Usando questo metodo, possiamo persino aumentare l'omogeneità della distribuzione della contaminazione. C'è una condizione. Invece di spostare più volte la zona fusa in una direzione, come nel processo di pulizia zonale, per esempio.. dall'estremità sinistra all'estremità destra del cristallo, sciogliamo il singolo cristallo più volte, ma spostando la fonte di calore alternativamente una volta a sinistra, una volta a destra. Otterremo un monocristallo omogeneo, perfetto per costruire un laser.

Il metodo di fusione zonale ha anche diverse varianti.

Oltre ai metodi orizzontali, esistono metodi a crogiolo verticale. Esistono anche metodi verticali non a crogiolo, in cui lo strato di materiale fuso non appoggia contro le pareti del crogiolo, a non si diffonde lateralmente a causa della tensione superficiale del liquido. Lo stesso, che mantiene l'ago in acciaio delicatamente posizionato sulla superficie dell'acqua.