مقارنة بين العديد من تقنيات نمو بلورات الزفير
منذ أن تم إنتاج الحجر الكريم الاصطناعي الأول عن طريق طريقة اندماج اللهب في عام 1902، تطورت باستمرار تقنيات مختلفة لزراعة بلورات الزفير الاصطناعية. على مر السنين،لقد ظهرت أكثر من دزينة من طرق نمو الكريستال، بما في ذلك انصهار اللهب، طريقة Czochralski (CZ) ، وطريقة Kyropoulos (KY) ، من بين أمور أخرى. كل طريقة لها مزاياها وعيوبها الخاصة، وتستخدم في مجالات تطبيق مختلفة.حالياً، وتشمل التقنيات الصناعية الرئيسية طريقة كيروبولوس، وطريقة تشوكرالسكي، وطريقة نمو الفيلم المحدد بالحافة (EFG) ، وطريقة تجميد التدرج الأفقي العمودي (VHGF).سيقدم القسم التالي تقنيات نمو بلور الزفير النموذجية بمزيد من التفصيل.
طريقة الاندماج باللهب (عملية فيرنيول)
عملية فيرنيول، المعروفة أيضًا باسم طريقة اندماج اللهب، سميت على اسم الكيميائي الفرنسي الشهير أوغست فيكتور لويس فيرنيول.هو معروف على وجه الخصوص باختراعه أول طريقة قابلة للتطبيق تجارياً لتوليف الأحجار الكريمةفي عام 1902، قام بتطوير تقنية "اندماج اللهب" التي لا تزال تستخدم على نطاق واسع اليوم كطريقة معقولة لإنتاج الأحجار الكريمة الاصطناعية.
باعتبارها واحدة من أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج الأحجار الكريمة الاصطناعية في السوق، فإن طريقة انصهار اللهب لا تستخدم فقط لتكوين الياقوت والزامير،ولكنها تنطبق أيضا على إنتاج السبينيل الاصطناعي، الروتيل الاصطناعي، الروبيانات الاصطناعية والزفيرات الاصطناعية، وحتى تيتانات السترونسيوم الاصطناعي، من بين أمور أخرى.
مبدأ العمل
طريقة انصهار اللهب، بعبارات بسيطة، تستخدم درجة الحرارة العالية الناتجة عن احتراق الهيدروجين والأكسجين.يتم تغذية مسحوق فضفاض من أكسيد الألومنيوم (Al2O3) من خلال اللهب الأكسيدروجينعندما يمر المسحوق الخام من خلال اللهب، فإنه يذوب على الفور إلى قطرات صغيرة، والتي تسقط بعد ذلك على قضيب البذور المبردة، حيث تصلب وتشكل بلورة واحدة.
يظهر الرسم البياني التالي مخططًا مبسطًا لآلة نمو بلورات الاندماج الشعاعي.
الشرط الأساسي لتحقيق النجاح في تخليق الأحجار الكريمة هو استخدام المواد الخام النقية للغاية، مع نقاء لا يقل عن 99.9995.أكسيد الألومنيوم (Al2O3) هو المادة الأساسيةعادة ما يتم بذل الجهود للحد من محتوى الصوديوم، حيث أن شوائب الصوديوم يمكن أن تسبب الغطاء وتقلل من وضوح الحجر الكريم. اعتمادا على اللون المطلوب،يمكن إضافة كميات صغيرة من شوائب أكسيد مختلفةعلى سبيل المثال ، يتم إضافة أكسيد الكروم لإنتاج الياقوت ، في حين يتم إضافة أكسيد الحديد أو أكسيد التيتانيوم لإنتاج الزفير الأزرق. بالنسبة لأنواع أخرى ، يتم تشكيلها عن طريق إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم ،ويتم تشكيل تيتانيوم السترونسيوم عن طريق إضافة أكسالات التيتانيوميمكن أيضًا خلط بلورات أخرى ذات قيمة أقل في المواد الأساسية.
الكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة!طريقة انصهار اللهب هي طريقة فعالة للغاية ومنخفضة التكلفة لتوليف الأحجار الكريمة الاصطناعية.يعتبر أسرع طريقة نمو البلورات بين جميع تقنيات الأحجار الكريمة الاصطناعية، مما يسمح بإنتاج بلورات كبيرة في وقت قصير، يمكن زراعة حوالي 10 غرام من البلورات في الساعة. يختلف حجم بلورات الأحجار الكريمة القائمة على الكورندوم.عادة ما تشكل بلورات على شكل كرة تتراوح من 150 إلى 750 قيراط (1 قيراط = 0.2 غرام) ، مع قطرات تصل إلى 17 ∼ 19 ملم.
بالمقارنة مع المعدات المستخدمة في الطرق الأخرى للحجارة الكريمة الاصطناعية، أجهزة انصهار اللهب هي أبسط في البنية.هذا يجعل عملية اندماج اللهب مناسبة بشكل خاص للإنتاج على نطاق صناعي ويمنحها أعلى عائد بين جميع الطرق الاصطناعية.
ومع ذلك ، فإن البلورات المنتجة عن طريق طريقة اندماج اللهب عادة ما تظهر خطوط نمو منحنية أو خطوط لون تشبه نسيج سجلات الصوت ،بالإضافة إلى الفقاقيع المميزة الشبيهة بالخرز أو الشكل الشهيرهذه الخصائص تحد من تطبيقها في مجالات مثل البصريات وشرائح الموصلات. لذلك فإن تقنية انصهار اللهب مناسبة أساسا لإنتاج عناصر ذات قطرات صغيرة نسبيا،مثل المجوهرات، مكونات الساعات، ومحامل أدوات الدقة.
وبالإضافة إلى ذلك، وبسبب تكلفتها المنخفضة، يمكن استخدام بلورات الزعفرة المزروعة من خلال طريقة اندماج اللهب أيضًا كبذور أو مواد بداية لطرق أخرى لزراعة البلورات القائمة على الذوبان.
طريقة كيروبولوس (طريقة كاي)
طريقة كيروبولوس، المختصرة باسم طريقة كاي، تم اقتراحها لأول مرة من قبل كيروبولوس في عام 1926 واستخدمت في البداية لنمو بلورات الهاليد الكبيرة والهيدروكسيدات والكربونات. لفترة طويلة،هذه التقنية تطبق بشكل رئيسي على إعداد ودراسة مثل هذه البلوراتفي الستينيات والسبعينيات، تم تحسين الطريقة من قبل العالِم السوفييتي موساتوفيعتبر واحدا من أكثر الحلول فعالية للقيود المفروضة على طريقة Czochralski في إنتاج بلورات كبيرة.
الكريستالات المزروعة بواسطة طريقة كيروبولوس ذات جودة عالية وتكلفة منخفضة نسبيًا ، مما يجعل هذه التقنية مناسبة بشكل جيد للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.حوالي 70٪ من الركائز الزعفرية المستخدمة عالمياً لتطبيقات LED يتم زراعتها باستخدام طريقة Kyropoulos أو أشكالها المعدلة المختلفة.
الكريستالات الفردية المزروعة بهذه الطريقة عادة ما يكون لها مظهر على شكل الكمثرى (انظر الشكل أدناه).والقطر الكريستالي يمكن أن تصل إلى أحجام 10 ′′ 30 ملم أصغر من القطر الداخلي من الخرسانةطريقة كيروبولوس هي حاليا واحدة من التقنيات الأكثر فعالية وناضجة لتنمية بلورات الزفير الفردية ذات القطر الكبير.تم بالفعل إنتاج بلورات زعفرة كبيرة الحجم بنجاح باستخدام هذه الطريقة.
أبرز تقرير أخباري حديث تقدماً في هذا المجال:
في 22 ديسمبر، مختبر نمو الكريستال من كريستالات جينغ شينغ، بالتعاون مع فرعها جينغوهان الإلكترونيات،أنتجت بنجاح أول بلور زعفر ضخم جداً يزن حوالي 700 كجم، مما يمثل علامة هامة في مجال الابتكار.
عملية نمو كريستالوس
في طريقة كيروبولوس ، يتم تسخين المادة الخام أولاً إلى نقطة انصهارها لتشكيل محلول ذوبان.ثم يتم جلب بذرة بلورية واحدة (المعروفة أيضًا باسم قضيب بلورية بذرة) إلى اتصال مع سطح الذوبانفي الواجهة الصلبة السائلة بين البذور والذوبان، تبدأ بلورة واحدة بنفس بنية الشبكة التي تبدأ في النمو.يتم سحب بلور البذور ببطء لأعلى لفترة قصيرة لتشكيل عنق بلور.
بمجرد أن يصبح معدل التجمد في الواجهة بين الذوبان والبذور مستقراً، يتوقف السحب ولا يتم تدوير البذور بعد الآن.الكريستال يستمر في النمو إلى أسفل عن طريق التحكم تدريجيا في معدل التبريد، مما يسمح للذوبان بالتصلب من الأعلى إلى الأسفل. وهذا يؤدي إلى تشكيل زبرة واحدة كاملة.
خصائص طريقة كيروبولوس
تعتمد طريقة كيروبولوس بشكل كبير على التحكم الدقيق في درجة الحرارة لزراعة البلورات (تحكم درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية!).الفرق الأكبر بينه وبين طريقة تشوكرالسكي يكمن في حقيقة أنه يتم سحب رقبة الكريستال فقط؛ جسم الكريستال الرئيسي ينمو من خلال تراجعات درجة الحرارة الخاضعة للسيطرة ، دون اضطراب إضافي من السحب أو الدوران. وهذا يجعل العملية أكثر استقرارا وأسهل في التحكم.
أثناء سحب عنق الكريستال، يتم ضبط قوة السخان بعناية لجلب المادة المنصهرة إلى نطاق درجة الحرارة المثلى لنمو الكريستال.هذا يساعد على تحقيق معدل نمو مثالي، في نهاية المطاف إنتاج كريستالات الزعفرة الفردية عالية الجودة مع سلامة هيكلية ممتازة.
طريقة Czochralski ✓ طريقة CZ
طريقة تشوكرالسكي، المعروفة أيضًا باسم طريقة CZ، هي تقنية يتم فيها زراعة بلورة بسحب وتدوير بلورة بذرة ببطء من المحلول المنصهر الموجود في الهلي.تم اكتشاف هذه الطريقة لأول مرة في عام 1916 من قبل الكيميائي البولندي يان تشوكرالسكيفي الخمسينات، مختبرات بيل في الولايات المتحدة وضعتها لزراعة الجيرمانيوم البلورية الواحدة،و تم اعتمادها لاحقاً من قبل علماء آخرين لزراعة بلورات نصف موصلة واحدة مثل السيليكون، وكذلك البلورات المعدنية الوحيدة والحجارة الكريمة الاصطناعية.
طريقة CZ قادرة على إنتاج بلورات مهمة من الأحجار الكريمة مثل الزعفرة الخالية من اللون والياقوت والجرانيت الألومنيومي اليتريوم (YAG) والجرانيت الغاليوم غادولينيوم (GGG) والإلكساندريت والسبينيل.
باعتبارها واحدة من أهم تقنيات زراعة البلورات الفردية من الذوبان ، تم اعتماد طريقة Czochralski على نطاق واسع ، وخاصة الاختلاف الذي ينطوي على صناديق التسخين بالتحفيز.اعتماداً على نوع الكريستال الذي يزرع، يمكن أن تكون المواد المستخدمة في طريقة CZ هي إيريديوم أو موليبدينوم أو بلاتين أو جرافيت أو أكسيدات أخرى ذات نقطة انصهار عالية. من وجهة نظر عملية ، يمكن أن تكون المواد المستخدمة في طريقة CZ هي إيريديوم أو موليبدينوم أو البلاتين أو الجرافيت أو أكسيدات أخرى ذات نقطة انصهار عالية.تخلط صهاريج الإيريديوم أقل تلوثًا للزفير ولكنها مكلفة للغاية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج. الوعاءات التولفستين والموليبدينوم، في حين أن أكثر بأسعار معقولة، تميل إلى إدخال مستويات أعلى من التلوث.
طريقة Czochralski (CZ) عملية نمو البلورات
أولاً، يتم تسخين المادة الخام إلى نقطة انصهارها لتشكيل محلول ذوبان. ثم يتم وضع بذرة بلورية واحدة في اتصال مع سطح الذوبان.بسبب الفرق في درجة الحرارة في الواجهة الصلبة السائلة بين البذور والذوبان، يحدث تبريد فائق. ونتيجة لذلك ، يبدأ الذوبان في التصلب على سطح البذور وينمو بلور واحد بنفس بنية البلور مثل البذور.
في نفس الوقت، يتم سحب بلورات البذور ببطء إلى الأعلى بسرعة مُتحكم فيها بينما تدور بمعدل معين.يستمر المحلول المنصهر في التجمد عند الواجهة الصلبة السائلة، في نهاية المطاف تشكيل البلورات المتناظرة الدورانية واحدة.
الميزة الرئيسية لطريقة Czochralski هي أنه يمكن ملاحظة عملية نمو البلور بسهولة. تنمو البلور على سطح الذوبان دون الاتصال بالخلاط ،والذي يقلل بشكل كبير من ضغط الكريستال ويمنع التكوين النووي غير المرغوب فيه على جدران الصهارةكما تسمح هذه الطريقة بسهولة باستخدام بلورات البذور الموجهة وتقنيات "التعقب"، والتي تقلل إلى حد كبير من كثافة الانحراف.
ونتيجة لذلك، كريستالات الزعفرة المزروعة بواسطة طريقة CZ تظهر سلامة هيكلية عالية، ومعدل نموها وحجم الكريستال مرضي تماما.بلورات الزفير المنتجة بهذه الطريقة لديها كثافة انحلال منخفضة نسبيا ووحدة بصرية عاليةالعيوب الرئيسية هي ارتفاع التكلفة والقيود على أقصى قطر الكريستال.
ملاحظة:على الرغم من أن طريقة CZ أقل استخدامًا لإنتاج بلور الزعفرة التجاري ، إلا أنها تقنية نمو الكريستال الأكثر استخدامًا في صناعة أشباه الموصلات.لأنه يمكن أن ينتج بلورات ذات قطر كبير، حوالي 90٪ من البلاطات السيليكونية البلورية الواحدة تزرع بواسطة طريقة CZ.
طريقة شكل الذوبان طريقة EFG
تم اختراع طريقة شكل الذوبان ، والمعروفة أيضًا باسم طريقة النمو المغذى بالفيلم (EFG) المحددة بواسطة الحافة ، بشكل مستقل في الستينيات من القرن العشرين من قبل هارولد لابيل في المملكة المتحدة وستيبانوف في الاتحاد السوفيتي.طريقة EFG هي اختلاف من تقنية Czochralski وهي تقنية تشكيل شبه الشبكة، مما يعني أنه ينمو الكريستال الفارغ مباشرة من الذوبان في الشكل المطلوب.
هذه الطريقة لا تقتصر فقط على القضاء على المعالجة الميكانيكية الثقيلة المطلوبة للبلورات الاصطناعية في الإنتاج الصناعي ولكن أيضا توفير المواد الخام بشكل فعال وخفض تكاليف الإنتاج.
ميزة رئيسية لطريقة EFG هي كفاءتها المادية وقدرتها على زراعة بلورات من أشكال خاصة مختلفة. ومع ذلك، فإن الحد من مستويات العيوب لا يزال تحديا.يستخدم بشكل أكثر شيوعًا لزراعة المواد ذات الشكل أو المعقدةمع التقدم الأخير في التكنولوجيا، بدأت طريقة EFG أيضا تطبيقها لإنتاج الركائز لMOCVD epitaxy، وتمثل حصة متزايدة من السوق.
طريقة التبادل الحراري طريقة HEM
في عام 1969 ، اخترع F. Schmid و D. Viechnicki تقنية نمو بلورية جديدة تعرف باسم طريقة Schmid-Viechnicki. في عام 1972 ، تم تطويرها.
المبدأ
طريقة تبادل الحرارة تستخدم مبادلة حرارة لإزالة الحرارةخلق منحدر درجة الحرارة الرأسي في منطقة نمو البلورات مع درجات حرارة أكثر برودة في الأسفل ودرجات حرارة أكثر سخونة في الأعلىعن طريق التحكم في تدفق الغاز داخل المبادل الحراري (عادة الهيليوم) وتعديل قوة التسخين ، يتم إدارة تراجع درجة الحرارة هذا بدقة ،مما يسمح للذوبان داخل الصهريج بالتصلب تدريجيا من الأسفل إلى الأعلى إلى بلور.
بالمقارنة مع عمليات نمو البلورات الأخرى ، فإن السمة الملحوظة لـ HEM هي أن واجهة الصلب السائل غارقة تحت سطح الذوبان. في ظل هذه الظروف ،يتم قمع الاضطرابات الحرارية والميكانيكية، مما يؤدي إلى تراجع درجة حرارة موحدة في الواجهة ، مما يعزز نمو البلورات الموحدة ويسهل إنتاج البلورات ذات التوحيد الكيميائي العالي. بالإضافة إلى ذلك ،لأن التسخين في الموقع هو جزء من دورة تجميد HEM، كثافة العيوب غالبا ما تكون أقل من تلك من الطرق الأخرى.
مقارنة بين العديد من تقنيات نمو بلورات الزفير
منذ أن تم إنتاج الحجر الكريم الاصطناعي الأول عن طريق طريقة اندماج اللهب في عام 1902، تطورت باستمرار تقنيات مختلفة لزراعة بلورات الزفير الاصطناعية. على مر السنين،لقد ظهرت أكثر من دزينة من طرق نمو الكريستال، بما في ذلك انصهار اللهب، طريقة Czochralski (CZ) ، وطريقة Kyropoulos (KY) ، من بين أمور أخرى. كل طريقة لها مزاياها وعيوبها الخاصة، وتستخدم في مجالات تطبيق مختلفة.حالياً، وتشمل التقنيات الصناعية الرئيسية طريقة كيروبولوس، وطريقة تشوكرالسكي، وطريقة نمو الفيلم المحدد بالحافة (EFG) ، وطريقة تجميد التدرج الأفقي العمودي (VHGF).سيقدم القسم التالي تقنيات نمو بلور الزفير النموذجية بمزيد من التفصيل.
طريقة الاندماج باللهب (عملية فيرنيول)
عملية فيرنيول، المعروفة أيضًا باسم طريقة اندماج اللهب، سميت على اسم الكيميائي الفرنسي الشهير أوغست فيكتور لويس فيرنيول.هو معروف على وجه الخصوص باختراعه أول طريقة قابلة للتطبيق تجارياً لتوليف الأحجار الكريمةفي عام 1902، قام بتطوير تقنية "اندماج اللهب" التي لا تزال تستخدم على نطاق واسع اليوم كطريقة معقولة لإنتاج الأحجار الكريمة الاصطناعية.
باعتبارها واحدة من أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج الأحجار الكريمة الاصطناعية في السوق، فإن طريقة انصهار اللهب لا تستخدم فقط لتكوين الياقوت والزامير،ولكنها تنطبق أيضا على إنتاج السبينيل الاصطناعي، الروتيل الاصطناعي، الروبيانات الاصطناعية والزفيرات الاصطناعية، وحتى تيتانات السترونسيوم الاصطناعي، من بين أمور أخرى.
مبدأ العمل
طريقة انصهار اللهب، بعبارات بسيطة، تستخدم درجة الحرارة العالية الناتجة عن احتراق الهيدروجين والأكسجين.يتم تغذية مسحوق فضفاض من أكسيد الألومنيوم (Al2O3) من خلال اللهب الأكسيدروجينعندما يمر المسحوق الخام من خلال اللهب، فإنه يذوب على الفور إلى قطرات صغيرة، والتي تسقط بعد ذلك على قضيب البذور المبردة، حيث تصلب وتشكل بلورة واحدة.
يظهر الرسم البياني التالي مخططًا مبسطًا لآلة نمو بلورات الاندماج الشعاعي.
الشرط الأساسي لتحقيق النجاح في تخليق الأحجار الكريمة هو استخدام المواد الخام النقية للغاية، مع نقاء لا يقل عن 99.9995.أكسيد الألومنيوم (Al2O3) هو المادة الأساسيةعادة ما يتم بذل الجهود للحد من محتوى الصوديوم، حيث أن شوائب الصوديوم يمكن أن تسبب الغطاء وتقلل من وضوح الحجر الكريم. اعتمادا على اللون المطلوب،يمكن إضافة كميات صغيرة من شوائب أكسيد مختلفةعلى سبيل المثال ، يتم إضافة أكسيد الكروم لإنتاج الياقوت ، في حين يتم إضافة أكسيد الحديد أو أكسيد التيتانيوم لإنتاج الزفير الأزرق. بالنسبة لأنواع أخرى ، يتم تشكيلها عن طريق إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم ،ويتم تشكيل تيتانيوم السترونسيوم عن طريق إضافة أكسالات التيتانيوميمكن أيضًا خلط بلورات أخرى ذات قيمة أقل في المواد الأساسية.
الكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة!طريقة انصهار اللهب هي طريقة فعالة للغاية ومنخفضة التكلفة لتوليف الأحجار الكريمة الاصطناعية.يعتبر أسرع طريقة نمو البلورات بين جميع تقنيات الأحجار الكريمة الاصطناعية، مما يسمح بإنتاج بلورات كبيرة في وقت قصير، يمكن زراعة حوالي 10 غرام من البلورات في الساعة. يختلف حجم بلورات الأحجار الكريمة القائمة على الكورندوم.عادة ما تشكل بلورات على شكل كرة تتراوح من 150 إلى 750 قيراط (1 قيراط = 0.2 غرام) ، مع قطرات تصل إلى 17 ∼ 19 ملم.
بالمقارنة مع المعدات المستخدمة في الطرق الأخرى للحجارة الكريمة الاصطناعية، أجهزة انصهار اللهب هي أبسط في البنية.هذا يجعل عملية اندماج اللهب مناسبة بشكل خاص للإنتاج على نطاق صناعي ويمنحها أعلى عائد بين جميع الطرق الاصطناعية.
ومع ذلك ، فإن البلورات المنتجة عن طريق طريقة اندماج اللهب عادة ما تظهر خطوط نمو منحنية أو خطوط لون تشبه نسيج سجلات الصوت ،بالإضافة إلى الفقاقيع المميزة الشبيهة بالخرز أو الشكل الشهيرهذه الخصائص تحد من تطبيقها في مجالات مثل البصريات وشرائح الموصلات. لذلك فإن تقنية انصهار اللهب مناسبة أساسا لإنتاج عناصر ذات قطرات صغيرة نسبيا،مثل المجوهرات، مكونات الساعات، ومحامل أدوات الدقة.
وبالإضافة إلى ذلك، وبسبب تكلفتها المنخفضة، يمكن استخدام بلورات الزعفرة المزروعة من خلال طريقة اندماج اللهب أيضًا كبذور أو مواد بداية لطرق أخرى لزراعة البلورات القائمة على الذوبان.
طريقة كيروبولوس (طريقة كاي)
طريقة كيروبولوس، المختصرة باسم طريقة كاي، تم اقتراحها لأول مرة من قبل كيروبولوس في عام 1926 واستخدمت في البداية لنمو بلورات الهاليد الكبيرة والهيدروكسيدات والكربونات. لفترة طويلة،هذه التقنية تطبق بشكل رئيسي على إعداد ودراسة مثل هذه البلوراتفي الستينيات والسبعينيات، تم تحسين الطريقة من قبل العالِم السوفييتي موساتوفيعتبر واحدا من أكثر الحلول فعالية للقيود المفروضة على طريقة Czochralski في إنتاج بلورات كبيرة.
الكريستالات المزروعة بواسطة طريقة كيروبولوس ذات جودة عالية وتكلفة منخفضة نسبيًا ، مما يجعل هذه التقنية مناسبة بشكل جيد للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.حوالي 70٪ من الركائز الزعفرية المستخدمة عالمياً لتطبيقات LED يتم زراعتها باستخدام طريقة Kyropoulos أو أشكالها المعدلة المختلفة.
الكريستالات الفردية المزروعة بهذه الطريقة عادة ما يكون لها مظهر على شكل الكمثرى (انظر الشكل أدناه).والقطر الكريستالي يمكن أن تصل إلى أحجام 10 ′′ 30 ملم أصغر من القطر الداخلي من الخرسانةطريقة كيروبولوس هي حاليا واحدة من التقنيات الأكثر فعالية وناضجة لتنمية بلورات الزفير الفردية ذات القطر الكبير.تم بالفعل إنتاج بلورات زعفرة كبيرة الحجم بنجاح باستخدام هذه الطريقة.
أبرز تقرير أخباري حديث تقدماً في هذا المجال:
في 22 ديسمبر، مختبر نمو الكريستال من كريستالات جينغ شينغ، بالتعاون مع فرعها جينغوهان الإلكترونيات،أنتجت بنجاح أول بلور زعفر ضخم جداً يزن حوالي 700 كجم، مما يمثل علامة هامة في مجال الابتكار.
عملية نمو كريستالوس
في طريقة كيروبولوس ، يتم تسخين المادة الخام أولاً إلى نقطة انصهارها لتشكيل محلول ذوبان.ثم يتم جلب بذرة بلورية واحدة (المعروفة أيضًا باسم قضيب بلورية بذرة) إلى اتصال مع سطح الذوبانفي الواجهة الصلبة السائلة بين البذور والذوبان، تبدأ بلورة واحدة بنفس بنية الشبكة التي تبدأ في النمو.يتم سحب بلور البذور ببطء لأعلى لفترة قصيرة لتشكيل عنق بلور.
بمجرد أن يصبح معدل التجمد في الواجهة بين الذوبان والبذور مستقراً، يتوقف السحب ولا يتم تدوير البذور بعد الآن.الكريستال يستمر في النمو إلى أسفل عن طريق التحكم تدريجيا في معدل التبريد، مما يسمح للذوبان بالتصلب من الأعلى إلى الأسفل. وهذا يؤدي إلى تشكيل زبرة واحدة كاملة.
خصائص طريقة كيروبولوس
تعتمد طريقة كيروبولوس بشكل كبير على التحكم الدقيق في درجة الحرارة لزراعة البلورات (تحكم درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية!).الفرق الأكبر بينه وبين طريقة تشوكرالسكي يكمن في حقيقة أنه يتم سحب رقبة الكريستال فقط؛ جسم الكريستال الرئيسي ينمو من خلال تراجعات درجة الحرارة الخاضعة للسيطرة ، دون اضطراب إضافي من السحب أو الدوران. وهذا يجعل العملية أكثر استقرارا وأسهل في التحكم.
أثناء سحب عنق الكريستال، يتم ضبط قوة السخان بعناية لجلب المادة المنصهرة إلى نطاق درجة الحرارة المثلى لنمو الكريستال.هذا يساعد على تحقيق معدل نمو مثالي، في نهاية المطاف إنتاج كريستالات الزعفرة الفردية عالية الجودة مع سلامة هيكلية ممتازة.
طريقة Czochralski ✓ طريقة CZ
طريقة تشوكرالسكي، المعروفة أيضًا باسم طريقة CZ، هي تقنية يتم فيها زراعة بلورة بسحب وتدوير بلورة بذرة ببطء من المحلول المنصهر الموجود في الهلي.تم اكتشاف هذه الطريقة لأول مرة في عام 1916 من قبل الكيميائي البولندي يان تشوكرالسكيفي الخمسينات، مختبرات بيل في الولايات المتحدة وضعتها لزراعة الجيرمانيوم البلورية الواحدة،و تم اعتمادها لاحقاً من قبل علماء آخرين لزراعة بلورات نصف موصلة واحدة مثل السيليكون، وكذلك البلورات المعدنية الوحيدة والحجارة الكريمة الاصطناعية.
طريقة CZ قادرة على إنتاج بلورات مهمة من الأحجار الكريمة مثل الزعفرة الخالية من اللون والياقوت والجرانيت الألومنيومي اليتريوم (YAG) والجرانيت الغاليوم غادولينيوم (GGG) والإلكساندريت والسبينيل.
باعتبارها واحدة من أهم تقنيات زراعة البلورات الفردية من الذوبان ، تم اعتماد طريقة Czochralski على نطاق واسع ، وخاصة الاختلاف الذي ينطوي على صناديق التسخين بالتحفيز.اعتماداً على نوع الكريستال الذي يزرع، يمكن أن تكون المواد المستخدمة في طريقة CZ هي إيريديوم أو موليبدينوم أو بلاتين أو جرافيت أو أكسيدات أخرى ذات نقطة انصهار عالية. من وجهة نظر عملية ، يمكن أن تكون المواد المستخدمة في طريقة CZ هي إيريديوم أو موليبدينوم أو البلاتين أو الجرافيت أو أكسيدات أخرى ذات نقطة انصهار عالية.تخلط صهاريج الإيريديوم أقل تلوثًا للزفير ولكنها مكلفة للغاية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج. الوعاءات التولفستين والموليبدينوم، في حين أن أكثر بأسعار معقولة، تميل إلى إدخال مستويات أعلى من التلوث.
طريقة Czochralski (CZ) عملية نمو البلورات
أولاً، يتم تسخين المادة الخام إلى نقطة انصهارها لتشكيل محلول ذوبان. ثم يتم وضع بذرة بلورية واحدة في اتصال مع سطح الذوبان.بسبب الفرق في درجة الحرارة في الواجهة الصلبة السائلة بين البذور والذوبان، يحدث تبريد فائق. ونتيجة لذلك ، يبدأ الذوبان في التصلب على سطح البذور وينمو بلور واحد بنفس بنية البلور مثل البذور.
في نفس الوقت، يتم سحب بلورات البذور ببطء إلى الأعلى بسرعة مُتحكم فيها بينما تدور بمعدل معين.يستمر المحلول المنصهر في التجمد عند الواجهة الصلبة السائلة، في نهاية المطاف تشكيل البلورات المتناظرة الدورانية واحدة.
الميزة الرئيسية لطريقة Czochralski هي أنه يمكن ملاحظة عملية نمو البلور بسهولة. تنمو البلور على سطح الذوبان دون الاتصال بالخلاط ،والذي يقلل بشكل كبير من ضغط الكريستال ويمنع التكوين النووي غير المرغوب فيه على جدران الصهارةكما تسمح هذه الطريقة بسهولة باستخدام بلورات البذور الموجهة وتقنيات "التعقب"، والتي تقلل إلى حد كبير من كثافة الانحراف.
ونتيجة لذلك، كريستالات الزعفرة المزروعة بواسطة طريقة CZ تظهر سلامة هيكلية عالية، ومعدل نموها وحجم الكريستال مرضي تماما.بلورات الزفير المنتجة بهذه الطريقة لديها كثافة انحلال منخفضة نسبيا ووحدة بصرية عاليةالعيوب الرئيسية هي ارتفاع التكلفة والقيود على أقصى قطر الكريستال.
ملاحظة:على الرغم من أن طريقة CZ أقل استخدامًا لإنتاج بلور الزعفرة التجاري ، إلا أنها تقنية نمو الكريستال الأكثر استخدامًا في صناعة أشباه الموصلات.لأنه يمكن أن ينتج بلورات ذات قطر كبير، حوالي 90٪ من البلاطات السيليكونية البلورية الواحدة تزرع بواسطة طريقة CZ.
طريقة شكل الذوبان طريقة EFG
تم اختراع طريقة شكل الذوبان ، والمعروفة أيضًا باسم طريقة النمو المغذى بالفيلم (EFG) المحددة بواسطة الحافة ، بشكل مستقل في الستينيات من القرن العشرين من قبل هارولد لابيل في المملكة المتحدة وستيبانوف في الاتحاد السوفيتي.طريقة EFG هي اختلاف من تقنية Czochralski وهي تقنية تشكيل شبه الشبكة، مما يعني أنه ينمو الكريستال الفارغ مباشرة من الذوبان في الشكل المطلوب.
هذه الطريقة لا تقتصر فقط على القضاء على المعالجة الميكانيكية الثقيلة المطلوبة للبلورات الاصطناعية في الإنتاج الصناعي ولكن أيضا توفير المواد الخام بشكل فعال وخفض تكاليف الإنتاج.
ميزة رئيسية لطريقة EFG هي كفاءتها المادية وقدرتها على زراعة بلورات من أشكال خاصة مختلفة. ومع ذلك، فإن الحد من مستويات العيوب لا يزال تحديا.يستخدم بشكل أكثر شيوعًا لزراعة المواد ذات الشكل أو المعقدةمع التقدم الأخير في التكنولوجيا، بدأت طريقة EFG أيضا تطبيقها لإنتاج الركائز لMOCVD epitaxy، وتمثل حصة متزايدة من السوق.
طريقة التبادل الحراري طريقة HEM
في عام 1969 ، اخترع F. Schmid و D. Viechnicki تقنية نمو بلورية جديدة تعرف باسم طريقة Schmid-Viechnicki. في عام 1972 ، تم تطويرها.
المبدأ
طريقة تبادل الحرارة تستخدم مبادلة حرارة لإزالة الحرارةخلق منحدر درجة الحرارة الرأسي في منطقة نمو البلورات مع درجات حرارة أكثر برودة في الأسفل ودرجات حرارة أكثر سخونة في الأعلىعن طريق التحكم في تدفق الغاز داخل المبادل الحراري (عادة الهيليوم) وتعديل قوة التسخين ، يتم إدارة تراجع درجة الحرارة هذا بدقة ،مما يسمح للذوبان داخل الصهريج بالتصلب تدريجيا من الأسفل إلى الأعلى إلى بلور.
بالمقارنة مع عمليات نمو البلورات الأخرى ، فإن السمة الملحوظة لـ HEM هي أن واجهة الصلب السائل غارقة تحت سطح الذوبان. في ظل هذه الظروف ،يتم قمع الاضطرابات الحرارية والميكانيكية، مما يؤدي إلى تراجع درجة حرارة موحدة في الواجهة ، مما يعزز نمو البلورات الموحدة ويسهل إنتاج البلورات ذات التوحيد الكيميائي العالي. بالإضافة إلى ذلك ،لأن التسخين في الموقع هو جزء من دورة تجميد HEM، كثافة العيوب غالبا ما تكون أقل من تلك من الطرق الأخرى.
