Príprava monokryštálov metódou zónového zahrievania

Príprava monokryštálov metódou zónového zahrievania.

Okrem mnohých ďalších metód patriacich do rovnakej rodiny ako Czochralskiho metóda, Nás by mala zaujímať ešte jedna zónová metóda tavenia. Táto metóda sa používa na dva rôzne účely: pestovanie monokryštálov a čistenie monokryštálov od škodlivých nečistôt. Je to jedna z najmladších metód - vyvinutá a používaná na čistenie kovov iba pred tridsiatimi rokmi, v roku 1952, Američanom W.. G. Pfanna, a až oveľa neskôr sa prispôsobili kultivácii monokryštálov.

Polykryštalické, materiál pozostávajúci z mnohých drobných kryštálov, z ktorého chceme získať jediný kryštál, je umiestnený v špeciálnom tégliku, loď v tvare člna, vyrobené z materiálu s vysokou teplotou topenia, nereaktívny s materiálom monokryštálu, ktorý sa pestuje, a podrobený zahrievaniu.

Jedná sa však o veľmi špeciálne kúrenie. Podľa názvu metódy sa ohrieva iba veľmi úzka zóna materiálu, kým sa neroztopí. Ak zahrievame, vychádzame iba z jedného konca materiálu, a zdroj vysokej teploty presunieme smerom k druhému koncu, potom ju privedieme k tavenine po celej dĺžke. Zakaždým, keď sa zdroj tepla pohne, sa však roztopí iba jeden, úzka vrstva materiálu. Pred a za ňou bude chladnejšie, teplota stúpa pred zdrojom tepla - materiál sa taví, a za putujúcim zdrojom tepla teplota klesá – predtým roztavený materiál stuhne a kryštalizuje. Keď bude teplotný rozdiel medzi kvapalnou vrstvou a tuhnúcou vrstvou a rýchlosť pohybu roztavenej zóny zodpovedajúco malá, monokryštál bude počas tuhnutia rásť.

Hlavne organické kryštály sa pestujú zónovým tavením, ale aj drahé kamene, a medzi nimi aj už známy syntetický ytrio-hliníkový granát. Okrem toho táto metóda uľahčuje prípravu monokryštálov YAG, pretože nevyžaduje predchádzajúce roztavenie prísad. Stačí zmiešať veľmi jemne rozdelené oxidy ytria a hliníka, zahrejeme na nízku teplotu pod určitým tlakom a spekaním vytvarujeme do požadovaného tvaru, napr.. boj. Tento valec sa vkladá do valca z kremenného skla, podrobíme proces zónovému taveniu a získame hotový monokryštál.

Rovnakým spôsobom môžeme získať aj jeden kryštál… voda, teda ľadový valec s dokonale usporiadanou vnútornou štruktúrou. Rozdiel medzi kryštalizáciou ľadu a granátového jablka je iba jednou teplotou zdroja tepla, čo spôsobuje topenie zóny. Pri zónovom tavení sa indukčné ohrievanie používa rovnakým spôsobom ako pri povrchovom kalení ocele, a počas kryštalizácie ľadu… zmrazenie.

Proces čistenia monokryštálov metódou zónového tavenia je identický, ako proces kultivácie monokryštálu a je s ním neoddeliteľne spojený. Pri kryštalizácii za kvapalnou zónou sú všetky nečistoty odpudzované od povrchu rastúceho kryštálu, čo je prirodzenou vlastnosťou každého kryštalizačného procesu. Jediný, ako vieme, podmienkou na získanie veľmi čistých kryštálov je, že rastú veľmi pomaly. V procese kryštalizácie rastúci kryštál priťahuje ióny, ktoré potrebuje, atómy alebo molekuly, a odpudzuje cudzie prvky. Takže ak je proces tavenia zón dostatočne pomalý, všetky nečistoty zostanú v roztavenej zóne a budú sa pohybovať s touto zónou na jeden koniec kryštálu. Keď nám záleží na veľmi čistých kryštáloch, tento proces sa opakuje niekoľkokrát, a koniec jediného kryštálu, v ktorom sa zhromaždili všetky nečistoty, nakrájame.

Stáva sa to však niekedy, najmä v prípade drahokamov, že vedome zavádzame kontaminanty do monokryštálov. Považujeme ich za užitočné. Koniec koncov, farba drahých kameňov závisí od znečistenia. To sa stáva, že chceme rovnomerne rozložiť nečistoty po celom objeme kryštálu. Týka sa to napríklad. monokryštály používané pri konštrukcii krištáľových laserov, teda aj strieborne zafarbený neodýmový YAG kryštál. Malo by sa v takýchto prípadoch od metódy tavenia zón upustiť?? Práve naopak. Pomocou tejto metódy môžeme dokonca zvýšiť homogenitu distribúcie kontaminácie. Je tu jedna podmienka. Namiesto toho, aby sa roztavená zóna pohybovala niekoľkokrát jedným smerom, ako je to v prípade procesu čistenia zón, napr.. z ľavého na pravý koniec kryštálu, niekoľkokrát sme rozpustili monokryštál, ale pohybovať zdrojom tepla striedavo raz doľava, raz doprava. Získame homogénny monokryštál, ideálne na výrobu laseru.

Metóda zónového topenia má tiež niekoľko rôznych variácií.

Okrem horizontálnych metód existujú aj metódy vertikálneho téglika. Existujú aj vertikálne neprístojné metódy, v ktorom roztavená vrstva materiálu nespočíva na stenách téglika, a sa nerozšíri do strán v dôsledku povrchového napätia kvapaliny. Rovnaký, ktorý udržuje oceľovú ihlu jemne umiestnenú na hladine vody.