Bereiding van eenkristallen door zoneverwarmingsmethode

Bereiding van eenkristallen door zoneverwarmingsmethode.

Naast vele andere methoden die tot dezelfde familie behoren als de Czochralski-methode, We zouden geïnteresseerd moeten zijn in nog een zone-smeltmethode. Deze methode wordt voor twee verschillende doeleinden gebruikt:: het kweken van éénkristallen en het zuiveren van éénkristallen van schadelijke onzuiverheden. Het is een van de jongste methoden - pas dertig jaar geleden ontwikkeld en gebruikt om metalen te zuiveren, in jaar 1952, door de Amerikaan W.. G. Pfanna, en pas veel later aangepast aan de teelt van eenkristallen.

Polykristallijn, materiaal bestaande uit vele kleine kristallen, waarvan we een enkel kristal willen krijgen, wordt in een speciale smeltkroes geplaatst, een bootvormig vaartuig, gemaakt van een materiaal met een hoog smeltpunt, niet-reactief met het materiaal van het eenkristal dat wordt gekweekt, en onderworpen aan verwarming.

Dit is echter een heel speciale verwarming. Volgens de naam van de methode wordt slechts een zeer smalle zone van het materiaal verwarmd totdat het smelt. Als we verwarmen, beginnen we vanaf slechts één uiteinde van het materiaal, en we zullen de bron van hoge temperatuur naar de andere kant verplaatsen, dan smelten we het over de hele lengte. Elke keer dat de warmtebron beweegt, zal er echter maar één smelten, smalle laag materiaal. Voor en achter haar wordt het koeler, de temperatuur stijgt voor de warmtebron - het materiaal is gesmolten, en achter de reizende warmtebron daalt de temperatuur – het eerder gesmolten materiaal stolt en kristalliseert. Wanneer het temperatuurverschil tussen de vloeibare laag en de stollingslaag en de bewegingssnelheid van de gesmolten zone dienovereenkomstig klein zullen zijn, het eenkristal zal groeien tijdens het stollen;.

Voornamelijk organische kristallen worden gekweekt door zone-smelten, maar ook edelstenen, en onder hen de reeds bekende synthetische yttrium-aluminium granaat. Bovendien vergemakkelijkt deze methode de bereiding van YAG-eenkristallen, omdat het niet vooraf smelten van ingrediënten vereist. Het is voldoende om zeer fijn verdeelde yttrium- en aluminiumoxiden te mengen, verwarm tot een lage temperatuur onder een bepaalde druk en vorm in de gewenste vorm door sinteren, bijv.. strijd. Deze rol wordt in de cilinder van kwartsglas gestoken, we onderwerpen het proces aan zone-smelten en we verkrijgen een afgewerkt eenkristal.

Op dezelfde manier kunnen we ook een eenkristal verkrijgen… water, dus een ijsroller met een perfect geordende interne structuur. Het verschil tussen ijs- en granaatappelkristallisatie is slechts één temperatuur van de warmtebron, waardoor de zone smelt. In het zone-smeltproces wordt inductieverwarming op dezelfde manier gebruikt als voor oppervlakteverharding van staal, en tijdens ijskristallisatie… bevriezen.

Het proces van het zuiveren van enkele kristallen door de zone-smeltmethode is identiek, zoals het eenkristalkweekproces en is er onlosmakelijk mee verbonden. Bij het kristalliseren stroomafwaarts van de vloeistofzone worden alle onzuiverheden afgestoten van het oppervlak van het groeiende kristal, wat een natuurlijk kenmerk is van elk kristallisatieproces. De enige, zoals we weten, de voorwaarde voor het verkrijgen van zeer zuivere kristallen is dat ze heel langzaam groeien. Tijdens het kristallisatieproces trekt het groeiende kristal de ionen aan die het nodig heeft, atomen of moleculen, en het stoot vreemde elementen af. Dus als het zonale smeltproces langzaam genoeg is, alle onzuiverheden blijven in de gesmolten zone en zullen met deze zone meebewegen naar het ene uiteinde van het kristal. Als we om zeer zuivere kristallen geven, dit proces wordt meerdere keren herhaald, en het einde van een enkel kristal, waarin alle onzuiverheden zich hebben verzameld, wij snijden.

Toch gebeurt het soms, vooral in het geval van edelstenen, dat we bewust verontreinigingen in eenkristallen introduceren. We vinden ze nuttig. De kleur van de edelstenen hangt immers af van de vervuiling. Het gebeurt, dat we de onzuiverheden gelijkmatig over het hele volume van het kristal willen verdelen. Dit geldt bijvoorbeeld voor:. enkele kristallen gebruikt bij de constructie van kristallasers laser, dus ook een zilverkleurig neodymium YAG-kristal. Moet in dergelijke gevallen worden afgezien van de zone-smeltmethode?? Integendeel. Met deze methode kunnen we zelfs de homogeniteit van de verontreinigingsverdeling vergroten. Er is één voorwaarde:. In plaats van de gesmolten zone meerdere keren in één richting te verplaatsen, zoals bij het zonale reinigingsproces, bijv.. van het linker naar het rechter uiteinde van het kristal, we smelten het eenkristal meerdere keren, maar de warmtebron afwisselend één keer naar links verplaatsen, een keer naar rechts. We zullen een homogeen eenkristal verkrijgen, perfect voor het bouwen van een laser.

De zonale smeltmethode heeft ook verschillende variaties.

Naast de horizontale methoden zijn er verticale smeltkroesmethoden. Er zijn ook verticale niet-kroesmethoden, waarbij de gesmolten laag materiaal niet tegen de wanden van de smeltkroes rust, a verspreidt zich niet zijwaarts door de oppervlaktespanning van de vloeistof. Hetzelfde, die ervoor zorgt dat de stalen naald subtiel op het wateroppervlak blijft.