Çeşitli Safir Kristal Büyütme Tekniklerinin Karşılaştırılması
İlk sentetik mücevher 1902'de alev füzyon yöntemiyle üretildiğinden beri, sentetik safir kristalleri büyütmek için çeşitli teknolojiler sürekli olarak gelişmiştir. Yıllar içinde, alev füzyon, Czochralski (CZ) yöntemi ve Kyropoulos (KY) yöntemi dahil olmak üzere bir düzineden fazla kristal büyütme yöntemi ortaya çıkmıştır. Her yöntemin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır ve farklı uygulama alanlarında kullanılırlar. Şu anda, ana endüstriyel teknikler arasında Kyropoulos yöntemi, Czochralski yöntemi, Kenar Tanımlı Film Beslemeli Büyütme (EFG) yöntemi ve Dikey Yatay Gradyan Dondurma (VHGF) yöntemi bulunmaktadır. Aşağıdaki bölüm, tipik safir kristal büyütme tekniklerini daha ayrıntılı olarak tanıtacaktır.
Alev Füzyon Yöntemi (Verneuil Süreci)
Alev Füzyon yöntemi olarak da bilinen Verneuil Süreci, adını ünlü Fransız kimyager Auguste Victor Louis Verneuil'den almıştır. En çok, mücevherleri sentezlemek için ilk ticari olarak uygulanabilir yöntemi icat etmesiyle tanınır. 1902'de, bugün hala sentetik mücevher üretimi için uygun fiyatlı bir yöntem olarak yaygın olarak kullanılan "alev füzyon" tekniğini geliştirmiştir.
Piyasada sentetik mücevher üretimi için en yaygın yöntemlerden biri olan alev füzyon yöntemi, sadece yakut ve safir sentezlemek için değil, aynı zamanda sentetik spinel, sentetik rutil, sentetik yıldız yakut ve yıldız safirlerin ve hatta yapay stronsiyum titanatın üretimi için de uygulanır.
Çalışma Prensibi
Alev füzyon yöntemi, basit bir ifadeyle, hidrojen ve oksijenin yanmasıyla üretilen yüksek sıcaklığı kullanır. Alüminyum oksit (Al₂O₃) gevşek bir tozu, oksi-hidrojen alevinden geçirilir. Ham toz alevden geçerken, anında küçük damlacıklara dönüşür, daha sonra soğutulmuş bir tohum çubuğuna düşer, burada katılaşır ve tek bir kristal oluşturur.
Aşağıdaki şema, alev füzyon kristal büyütme cihazının basitleştirilmiş bir şemasını göstermektedir.
Mücevherleri başarıyla sentezlemenin temel ön koşulu, minimum %99,9995 saflıkta, yüksek saflıkta ham maddelerin kullanılmasıdır. Yakut veya safir sentezlemek için, alüminyum oksit (Al₂O₃) birincil malzemedir. Sodyum safsızlıkları bulanıklığa neden olabileceğinden ve mücevherin berraklığını azaltabileceğinden, sodyum içeriğini azaltmak için genellikle çaba gösterilir. İstenen renge bağlı olarak, farklı oksit safsızlıkları küçük miktarlarda eklenebilir. Örneğin, yakut üretmek için krom oksit eklenirken, mavi safir üretmek için demir oksit veya titanyum oksit eklenir. Diğer türler için, titanyum dioksit eklenerek rutil oluşturulur ve titanyum oksalat eklenerek stronsiyum titanat oluşturulur. Diğer daha düşük değerli kristaller de başlangıç malzemelerine karıştırılabilir.
Yüksek Verimlilik ve Düşük Maliyet! Alev füzyon yöntemi, yapay mücevher sentezlemek için oldukça verimli ve düşük maliyetli bir yaklaşımdır. Tüm sentetik mücevher teknikleri arasında en hızlı kristal büyütme yöntemi olarak kabul edilir ve kısa sürede büyük kristallerin üretilmesini sağlar - saatte yaklaşık 10 gram kristal büyütülebilir. Korundum bazlı mücevherlerin kristal boyutu değişir, tipik olarak 150 ila 750 karat (1 karat = 0,2 gram) arasında değişen, çapları 17–19 mm'ye ulaşan top şeklinde kristaller oluşturur.
Diğer sentetik mücevher yöntemlerinde kullanılan ekipmanlarla karşılaştırıldığında, alev füzyon cihazları yapı olarak en basittir. Bu, alev füzyon işlemini özellikle endüstriyel ölçekli üretime uygun hale getirir ve tüm sentetik yöntemler arasında en yüksek verimi sağlar.
Ancak, alev füzyon yöntemiyle üretilen kristaller tipik olarak, bir fonograf kaydının dokusuna benzeyen eğimli büyüme çizgileri veya renk bantları ve ayrıca karakteristik boncuk benzeri veya iribaş şeklinde kabarcıklar sergiler. Bu özellikler, optik ve yarı iletkenler gibi alanlardaki uygulamalarını sınırlar. Bu nedenle, alev füzyon tekniği, mücevher, saat bileşenleri ve hassas alet yatakları gibi nispeten küçük çaplı ürünlerin üretimi için uygundur.
Ek olarak, düşük maliyeti nedeniyle, alev füzyon yöntemiyle büyütülen safir kristalleri, diğer erime bazlı kristal büyütme yöntemleri için tohum veya başlangıç malzemesi olarak da kullanılabilir.
Kyropoulos Yöntemi (KY Yöntemi)
KY yöntemi olarak kısaltılan Kyropoulos yöntemi, ilk olarak 1926'da Kyropoulos tarafından önerilmiş ve başlangıçta büyük halojenür kristalleri, hidroksitler ve karbonatların büyütülmesi için kullanılmıştır. Uzun süre, bu teknik esas olarak bu tür kristallerin hazırlanması ve incelenmesi için uygulanmıştır. 1960'lar ve 1970'lerde, yöntem Sovyet bilim insanı Musatov tarafından geliştirilmiş ve safir tek kristallerin büyütülmesi için başarıyla uyarlanmıştır. Günümüzde, büyük kristaller üretmede Czochralski yönteminin sınırlamalarına en etkili çözümlerden biri olarak kabul edilmektedir.
Kyropoulos yöntemiyle büyütülen kristaller yüksek kalitede ve nispeten düşük maliyetlidir, bu da tekniği büyük ölçekli endüstriyel üretime uygun hale getirir. Şu anda, LED uygulamaları için küresel olarak kullanılan safir alt tabakaların yaklaşık %70'i Kyropoulos yöntemi veya bunun çeşitli modifiye edilmiş versiyonları kullanılarak büyütülmektedir.
Bu yöntemle büyütülen tek kristaller tipik olarak armut şeklinde bir görünüme sahiptir (aşağıdaki şekle bakın) ve kristal çapı, potanın iç çapından sadece 10–30 mm daha küçük boyutlara ulaşabilir. Kyropoulos yöntemi, şu anda büyük çaplı safir tek kristaller büyütmek için en etkili ve olgun tekniklerden biridir. Bu yöntem kullanılarak büyük boyutlu safir kristalleri zaten başarıyla üretilmiştir.
Yakın tarihli bir haber raporu bu alandaki bir atılımı vurguladı:
22 Aralık'ta, Jing Sheng Crystals'ın Kristal Büyütme Laboratuvarı, yan kuruluşu Jinghuan Electronics ile işbirliği içinde, yaklaşık 700 kg ağırlığında ilk ultra büyük safir kristali başarıyla üretti - önemli bir inovasyon kilometre taşını işaret ediyor.
Kyropoulos Kristal Büyütme Süreci
Kyropoulos yönteminde, ham madde önce erime noktasına kadar ısıtılır ve bir eriyik çözelti oluşturulur. Daha sonra, tek bir kristal tohumu (tohum kristal çubuğu olarak da bilinir) eriyiğin yüzeyiyle temas ettirilir. Tohum ile eriyik arasındaki katı-sıvı arayüzünde, tohumla aynı kafes yapısına sahip tek bir kristal büyümeye başlar. Kristal boyun oluşturmak için tohum kristali kısa bir süre yavaşça yukarı çekilir.
Eriyik ile tohum arasındaki arayüzdeki katılaşma hızı kararlı hale geldiğinde, çekme durur ve tohum artık döndürülmez. Bu noktadan itibaren, kristal, soğuma hızını kademeli olarak kontrol ederek, eriyiğin yukarıdan aşağıya doğru katılaşmasına izin vererek büyümeye devam eder. Bu, eksiksiz bir tek kristal külçenin oluşmasıyla sonuçlanır.
Kyropoulos Yönteminin Özellikleri
Kyropoulos yöntemi, kristal büyütmek için hassas sıcaklık kontrolüne büyük ölçüde bağlıdır (sıcaklık kontrolü kesinlikle kritiktir!). Czochralski yönteminden en büyük farkı, sadece kristal boynun çekilmesidir; kristalin ana gövdesi, çekme veya döndürmenin ek rahatsızlığı olmadan, kontrollü sıcaklık gradyanları aracılığıyla büyür. Bu, süreci daha kararlı ve kontrolü daha kolay hale getirir.
Kristal boyun çekilirken, ısıtıcının gücü, erimiş malzemeyi kristal büyütme için optimum sıcaklık aralığına getirmek için dikkatlice ayarlanır. Bu, ideal bir büyüme hızına ulaşmaya yardımcı olur ve sonuçta mükemmel yapısal bütünlüğe sahip yüksek kaliteli safir tek kristalleri üretir.
Czochralski Yöntemi – CZ Yöntemi
CZ yöntemi olarak da bilinen Czochralski yöntemi, bir kristalin, bir potada bulunan erimiş çözeltiden bir tohum kristalini yavaşça çekerek ve döndürerek büyütüldüğü bir tekniktir. Bu yöntem ilk olarak 1916'da Polonyalı kimyager Jan Czochralski tarafından keşfedildi. 1950'lerde, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Bell Laboratuvarları, tek kristal germanyum büyütmek için geliştirdi ve daha sonra silikon gibi yarı iletken tek kristallerin yanı sıra metal tek kristaller ve sentetik mücevherler büyütmek için diğer bilim insanları tarafından benimsendi.
CZ yöntemi, renksiz safir, yakut, itriyum alüminyum granat (YAG), gadolinyum galyum granat (GGG), aleksandrit ve spinel gibi önemli mücevher kristalleri üretebilir.
Erimeden tek kristaller büyütmek için en önemli tekniklerden biri olan Czochralski yöntemi, özellikle indüksiyon ısıtmalı potaları içeren varyantı olmak üzere yaygın olarak benimsenmiştir. Büyütülen kristal türüne bağlı olarak, CZ yönteminde kullanılan pota malzemesi iridyum, molibden, platin, grafit veya diğer yüksek erime noktalı oksitler olabilir. Pratik açıdan bakıldığında, iridyum potalar safire en az kontaminasyonu getirir ancak son derece pahalıdır, bu da daha yüksek üretim maliyetlerine yol açar. Tungsten ve molibden potalar, daha uygun fiyatlı olmakla birlikte, daha yüksek seviyelerde kontaminasyon getirme eğilimindedir.
Czochralski (CZ) Yöntemi Kristal Büyütme Süreci
İlk olarak, ham madde erime noktasına kadar ısıtılır ve bir eriyik çözelti oluşturulur. Daha sonra, tek bir kristal tohumu eriyiğin yüzeyiyle temas ettirilir. Tohum ile eriyik arasındaki katı-sıvı arayüzündeki sıcaklık farkı nedeniyle, aşırı soğuma meydana gelir. Sonuç olarak, eriyik tohum yüzeyinde katılaşmaya başlar ve tohumla aynı kristal yapısına sahip tek bir kristal büyütür.
Aynı zamanda, tohum kristali, belirli bir oranda döndürülürken kontrollü bir hızda yavaşça yukarı çekilir. Tohum yavaş yavaş yukarı çekilirken, erimiş çözelti katı-sıvı arayüzünde katılaşmaya devam eder ve sonunda dönme simetrik tek bir kristal külçe oluşturur.
Czochralski yönteminin ana avantajı, kristal büyütme işleminin kolayca gözlemlenebilmesidir. Kristal, pota ile temas etmeden eriyiğin yüzeyinde büyür, bu da kristal gerilimini önemli ölçüde azaltır ve pota duvarlarında istenmeyen çekirdeklenmeyi önler. Yöntem ayrıca, yönlendirilmiş tohum kristallerinin ve “boyunlandırma” tekniklerinin kullanılmasını kolaylaştırır, bu da dislokasyon yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır.
Sonuç olarak, CZ yöntemiyle büyütülen safir kristalleri yüksek yapısal bütünlük sergiler ve büyüme hızları ve kristal boyutları oldukça tatmin edicidir. Genel olarak, bu yöntemle üretilen safir kristalleri nispeten düşük dislokasyon yoğunluğuna ve yüksek optik düzgünlüğe sahiptir. Ana dezavantajları daha yüksek maliyet ve maksimum kristal çapı üzerindeki sınırlamalardır.
Not:CZ yöntemi ticari safir kristal üretimi için daha az yaygın olarak kullanılsa da, yarı iletken endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan kristal büyütme tekniğidir. Yaklaşık %90'ı CZ yöntemiyle büyütülen büyük çaplı kristaller üretebildiği için, tek kristal silikon külçeleri bu yöntemle üretilir.
Eriyik Şekil Yöntemi – EFG Yöntemi
Kenar Tanımlı Film Beslemeli Büyütme (EFG) yöntemi olarak da bilinen Eriyik Şekil Yöntemi, 1960'larda Harold LaBelle tarafından İngiltere'de ve Stepanov tarafından Sovyetler Birliği'nde bağımsız olarak icat edilmiştir. EFG yöntemi, Czochralski tekniğinin bir varyasyonudur ve istenen şekilde doğrudan eriyikten kristal boşlukları büyüten, şekle yakın bir şekillendirme teknolojisidir.
Bu yöntem, endüstriyel üretimde sentetik kristaller için gerekli olan ağır mekanik işlemeyi ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda ham maddelerden etkili bir şekilde tasarruf sağlar ve üretim maliyetlerini düşürür.
EFG yönteminin temel bir avantajı, malzeme verimliliği ve çeşitli özel şekillerde kristaller büyütme yeteneğidir. Ancak, kusur seviyelerini azaltmak hala bir zorluktur. Bu nedenle, daha yaygın olarak şekilli veya karmaşık malzemeler büyütmek için kullanılır. Teknolojideki son gelişmelerle birlikte, EFG yöntemi, MOCVD epitaksi için alt tabaka üretmek için de uygulanmaya başlanmış ve pazarın büyüyen bir payını oluşturmaktadır.
Isı Değişim Yöntemi – HEM Yöntemi
1969'da, F. Schmid ve D. Viechnicki, Schmid-Viechnicki yöntemi olarak bilinen yeni bir kristal büyütme tekniği icat etti. 1972'de,
Isı Değişim Yöntemi (HEM) olarak yeniden adlandırıldı. HEM, büyük boyutlu, yüksek kaliteli safir kristalleri büyütmek için en olgun yöntemlerden biridir. Kristal büyütme yönleri a ekseni, m ekseni veya r ekseni boyunca olabilir, en yaygın olarak a ekseni yönü kullanılır. Prensibin şematik bir diyagramı aşağıda gösterilmektedir.
Prensip
Isı Değişim Yöntemi, ısıyı uzaklaştırmak için bir ısı eşanjörü kullanır ve kristal büyütme bölgesinde, altta daha soğuk sıcaklıklar ve üstte daha sıcak sıcaklıklar ile dikey bir sıcaklık gradyanı oluşturur. Isı eşanjörünün (genellikle helyum) içindeki gaz akışını kontrol ederek ve ısıtma gücünü ayarlayarak, bu sıcaklık gradyanı hassas bir şekilde yönetilir ve potanın içindeki eriyiğin alttan yukarıya doğru kademeli olarak bir kristale katılaşmasına izin verilir.
Diğer kristal büyütme süreçleriyle karşılaştırıldığında, HEM'in dikkate değer bir özelliği, katı-sıvı arayüzünün eriyik yüzeyinin altında olmasıdır. Bu koşullar altında, termal ve mekanik rahatsızlıklar bastırılır ve arayüzde homojen bir sıcaklık gradyanı oluşur, bu da homojen kristal büyümeyi teşvik eder ve yüksek kimyasal homojenliğe sahip kristallerin üretilmesini kolaylaştırır. Ek olarak, in-situ tavlama HEM katılaşma döngüsünün bir parçası olduğundan, kusur yoğunluğu genellikle diğer yöntemlere göre daha düşüktür.
Mesajınız 20-3.000 karakter arasında olmalıdır!