การเปรียบเทียบเทคนิคการเจริญเติบโตของคริสตัลซะฟาย
ตั้งแต่หินแท้สังเคราะห์แรกถูกผลิตโดยวิธีการหลอมหลอมไฟในปี 1902 เทคโนโลยีต่าง ๆ สําหรับการเพาะเลี้ยงคริสตัล sapphireสังเคราะห์ได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องมีวิธีการเจริญเติบโตคริสตัลมากกว่า 12 วิธี, รวมถึงการหลอมรวมไฟ, วิธี Czochralski (CZ) และวิธี Kyropoulos (KY) ฯลฯ. วิธีแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียของมันเอง และใช้ในสาขาการใช้งานที่แตกต่างกันปัจจุบัน, เทคนิคอุตสาหกรรมหลัก ๆ ประกอบด้วยวิธี Kyropoulos, วิธี Czochralski, วิธีการการเติบโตที่กําหนดโดยหนัง (EFG) และวิธีการแข็งตัวแบบแนวราบแนวตั้ง (VHGF).ส่วนต่อไปนี้จะนําเทคนิคการเติบโตของคริสตัลซาฟฟายร์แบบทั่วไปมาในรายละเอียดมากขึ้น.
วิธีหลอมไฟ (กระบวนการ Verneuil)
กระบวนการเวอร์เนียล (Verneuil Process) หรือที่รู้จักกันในชื่อวิธีการฟิวชั่นไฟ ได้รับชื่อจากนักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อดัง ออเกสต์ วิคตอร์ หลุยส์ เวอร์เนียล (Auguste Victor Louis Verneuil)เขามีชื่อเสียงเป็นอย่างดีสําหรับการประดิษฐ์วิธีการแรกที่ใช้ได้ในทางการค้าในการสังเคราะห์หินแท้ในปี ค.ศ. 1902 เขาพัฒนาเทคนิค "การหลอมหลอม" ซึ่งยังคงถูกใช้ในปัจจุบัน เป็นวิธีที่คุ้มค่าในการผลิตหินแท้สังเคราะห์
ในฐานะที่เป็นวิธีการที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตหินแท้สังเคราะห์ในตลาด วิธีการหลอมหลอมเพลิงไม่ได้ถูกใช้เพื่อสังเคราะห์หินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินแต่ยังใช้กับการผลิต สปินเนลสังเคราะห์, รูติลสังเคราะห์, หินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินห
หลักการทํางาน
วิธีการหลอมหลอมไฟ ใช้อุณหภูมิสูงที่เกิดจากการเผาไหม้ของไฮโดรเจนและออกซิเจนขดผงอัลลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ผ่านไฟออกซิฮิดรอเจนเมื่อผงแป้งผ่านไฟ มันละลายเป็นน้ําตัวกระจกเล็ก ๆ น้อย ๆ ทันที ซึ่งหล่นลงบนไม้เมล็ดที่เย็นลง
รูปภาพต่อไปนี้แสดงแผนที่เรียบง่ายของอุปกรณ์การเติบโตของคริสตัลฟิวชั่นไฟ
สัญญาณสําคัญในการสังเคราะห์หินแท้อย่างสําเร็จ คือการใช้วัสดุดิบที่บริสุทธิ์สูง มีความบริสุทธิ์อย่างน้อย 99.9995%อัลลูมิเนียมอ๊อกไซด์ (Al2O3) เป็นวัสดุหลักโดยปกติจะพยายามลดปริมาณโซเดียม เนื่องจากปริมาณโซเดียมที่ไม่สมบูรณ์ สามารถทําให้หินมีคราบ และลดความใสของหินสามารถเพิ่มปริมาณเล็ก ๆ ของสารสกัดออกไซด์ต่าง ๆ ได้ตัวอย่างเช่น โครเมียมอ๊อกไซด์ถูกเพิ่มขึ้นเพื่อผลิตหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหและสตรอนติอุมไทนาทจะเกิดจากการเพิ่มไทนามอ๊อกซาเลตคริสตัลที่มีคุณค่าต่ํากว่าอื่น ๆ ก็สามารถผสมเข้ากับวัสดุเริ่มต้นได้
ประสิทธิภาพสูงและราคาต่ํา!วิธีการหลอมหลอมเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูกในการสังเคราะห์หินแท้เทียมถือว่าเป็นวิธีการเติบโตคริสตัลที่เร็วที่สุดในหมู่เทคนิคหินแท้สังเคราะห์ทั้งหมด, ทําให้สามารถผลิตคริสตัลขนาดใหญ่ในเวลาสั้น กลมคริสตัลประมาณ 10 กรัมสามารถเติบโตในหนึ่งชั่วโมงโดยทั่วไปเป็นคริสตัลทรงกลอง ตั้งแต่ 150 ถึง 750 คารา (1 คารา = 0.2 กรัม) ขนาดกว้างถึง 17~19 มิลลิเมตร
เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ในวิธีเพชรสังเคราะห์อื่น ๆ อุปกรณ์การหลอมหลอมเพลิงมีโครงสร้างที่เรียบง่ายที่สุดทําให้กระบวนการหลอมหลอมไฟ เหมาะสําหรับการผลิตขนาดอุตสาหกรรม และให้ผลผลิตสูงที่สุดในหมู่วิธีสังเคราะห์ทั้งหมด.
อย่างไรก็ตาม คริสตัลที่ผลิตโดยวิธีการหลอมหลอมไฟมักจะแสดงให้เห็นการเติบโตเส้นโค้งหรือแดนสีที่คล้ายกับเนื้อเยื่อของแผ่นเสียงรวมถึง Bubbles ลักษณะที่คล้ายขนมหรือรูปของ tadpoleลักษณะเหล่านี้จํากัดการใช้งานของพวกเขาในสาขา เช่น optics และ semiconductors ดังนั้นเทคนิคการหลอมหลอมเพลิงจึงเหมาะสําหรับการผลิตวัตถุที่มีกว้างขนาดเล็กเช่น เครื่องประดับ, ส่วนประกอบของนาฬิกา และเลเยอร์เครื่องมือแม่นยํา
นอกจากนี้ เนื่องจากราคาถูก คริสตัล sapphire ที่ปลูกโดยวิธีการหลอมไฟ สามารถนําไปใช้เป็นเมล็ดพันธุ์หรือวัสดุเริ่มต้นสําหรับวิธีการปลูกคริสตัลที่ใช้การละลายอื่น ๆ ได้เช่นกัน
วิธี Kyropoulos (วิธี KY)
วิธีไคโรโพลัส หรือสั้นๆ เป็นวิธี KY ถูกนําเสนอครั้งแรกโดยไคโรโพลัส ในปี 1926 และเริ่มต้นใช้ในการเจริญเติบโตของคริสตัลฮาไลด์ขนาดใหญ่, ไฮโดรออกไซด์, และคาร์บอเนตเทคนิคนี้ถูกนํามาใช้เป็นหลักในการเตรียมและศึกษาคริสตัลดังกล่าวในช่วงปี 1960 และ 1970 วิธีการนี้ถูกปรับปรุงโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียต Musatovมันถือว่าเป็นหนึ่งในการแก้ไขที่มีประสิทธิภาพที่สุด สําหรับข้อจํากัดของวิธี Czochralski ในการผลิตคริสตัลขนาดใหญ่.
คริสตัลที่ปลูกโดยวิธี Kyropoulos มีคุณภาพสูงและราคาค่อนข้างต่ํา ทําให้เทคนิคนี้เหมาะสําหรับการผลิตอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ประมาณ 70% ของสับสราตทองเหลืองที่ใช้ในโลกสําหรับการใช้งาน LED ถูกปลูกโดยใช้วิธี Kyropoulos หรือรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ของมัน.
คริสตัลเดี่ยวที่ปลูกด้วยวิธีนี้มักมีลักษณะเป็นรูปร่างเปรี้ยว (ดูรูปด้านล่าง)และกว้างของคริสตัลสามารถบรรลุขนาดเพียง 10?? 30 มมเล็กกว่ากว้างภายในของก้อนวิธี Kyropoulos ปัจจุบันเป็นหนึ่งในเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและ成熟สําหรับการเจริญเติบโตกราสซัฟฟายร์ขนาดใหญ่คริสตัล ไซฟายร์ ขนาดใหญ่ ได้ถูกผลิต ด้วยวิธีนี้แล้ว.
รายงานข่าวเมื่อเร็วๆ นี้ ชี้ให้เห็นถึงความก้าวหน้าในด้านนี้:
เมื่อวันที่ 22 ธันวาคม ที่ผ่านมา ห้องทดลองการเติบโตของคริสตัลจิงเชง (Jing Sheng Crystals) ร่วมกับบริษัทย่อย จิงฮวน อิเล็กทรอนิกส์ (Jinghuan Electronics)ได้ผลิตคริสตัลซาฟฟายร์ขนาดใหญ่ครั้งแรกที่มีน้ําหนักประมาณ 700 กิโลกรัม.
กระบวนการการเติบโตของคริสตัล Kyropoulos
ในวิธี Kyropoulos วัตถุดิบถูกทําความร้อนก่อนจนถึงจุดละลายของมันเพื่อสร้างสารละลายหลอมเมล็ดคริสตัลเดียว (ที่รู้จักกันเช่นกันว่าเมล็ดสตาร์ดคริสตัล) จากนั้นนํามาสัมผัสกับพื้นผิวของละลายณ ช่องทางของเหลวที่แข็งแรง ระหว่างเมล็ดและสารละลาย คริสตัลเดียวที่มีโครงสร้างตารางเดียวกันกับเมล็ดเริ่มต้นการเติบโตคริสตัลเมล็ดถูกดึงช้า ๆ ขึ้นไปสําหรับระยะเวลาสั้น ๆ เพื่อสร้างคอคริสตัล.
เมื่ออัตราการแข็งแรงที่จุดสัมผัสระหว่างน้ําละลายและเมล็ดเมล็ด กลายเป็นคงที่ การดึงหยุดและเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดคริสตัลยังคงเติบโตลง โดยการควบคุมอัตราการเย็นช้า ๆ, ทําให้ละลายแข็งจากด้านบนไปด้านล่าง ซึ่งส่งผลให้เกิดกล่องเหล็กระจกเดียวที่สมบูรณ์แบบ
คุณลักษณะของวิธีการของไครโพโลส
วิธีของไครโพโลสขึ้นอยู่กับการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยําในการปลูกคริสตัล (การควบคุมอุณหภูมิเป็นสิ่งสําคัญมาก!)ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดจากวิธี Czochralski อยู่ที่ความจริงที่ว่าเพียงคอคริสตัลถูกดึง; หน่วยหลักของคริสตัลเติบโตผ่านการควบคุมอุณหภูมิ gradients, โดยไม่มีการรบกวนเพิ่มเติมของการดึงหรือหมุน.
ขณะที่คอคริสตัลถูกดึง กําลังของเครื่องทําความร้อนถูกปรับให้ดี เพื่อนําวัสดุหลอมเข้าช่วงอุณหภูมิที่ดีที่สุดสําหรับการเติบโตของคริสตัลซึ่งช่วยให้เกิดอัตราการเติบโตที่ดีที่สุดส่งผลให้เกิดคริสตัลเดียวของทองเหลือง sapphire ที่มีคุณภาพสูง
วิธี Czochralski วิธี CZ
วิธี Czochralski หรือยังเรียกว่าวิธี CZ เป็นเทคนิคในการปลูกคริสตัลโดยการดึงและหมุนคริสตัลเมล็ดบัวจากสารละลายที่หลอมอยู่ในกระบี่ช้า ๆวิธีนี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1916 โดยนักเคมีชาวโปแลนด์ Jan Czochralskiในช่วงปี 1950 ห้องทดลองเบลล์ในสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนามันเพื่อเพาะพันธุ์เจอร์แมนเนียมและมันถูกนํามาใช้ในภายหลังโดยนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ สําหรับการเจริญเติบโตของครึ่งตัวนําคริสตัลเดียว เช่นซิลิคอนรวมถึงโลหะสระแก้วเดียว และหินแท้สังเคราะห์
วิธี CZ สามารถผลิตคริสตัลหินแท้ที่สําคัญ เช่น ซาฟฟีร์ไร้สี, หินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหิน
ในฐานะหนึ่งของเทคนิคที่สําคัญที่สุดในการปลูกคริสตัลเดี่ยวจากการละลาย, วิธี Czochralski ได้รับการรับรองอย่างกว้างขวาง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแปรเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับหม้อทําความร้อนด้วยการชัก.ขึ้นอยู่กับชนิดของคริสตัลที่ปลูก, วัสดุที่ใช้ในวิธีการ CZ สามารถเป็นอิริเดียม, โมลิบเดนัม, พลาตินูม, กราฟไทต์, หรืออ๊อกไซด์อื่น ๆ ที่มีจุดละลายสูงอีริดีอุม ไคร์บิลนําไปสู่การปนเปื้อนน้อยที่สุดของซาฟฟิร์ แต่มีราคาแพงมากโตงสเตนและโมลิบเดนัม ราคาถูกกว่า แต่มักนํามาระดับการปนเปื้อนที่สูงกว่า
วิธี Czochralski (CZ) กระบวนการการเติบโตของคริสตัล
ปริมาณ ของ ธ อร์ ที่ ละลายเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่สัมผัสของเหลวที่แข็งแรง ระหว่างเมล็ดและละลายผลลัพธ์คือละลายเริ่มแข็งบนพื้นผิวเมล็ด และเติบโตเป็นคริสตัลเดียวที่มีโครงสร้างคริสตัลเดียวกันกับเมล็ด
ในขณะเดียวกัน, คริสตัลเมล็ดพันธุ์ถูกดึงขึ้นอย่างช้า ๆ ด้วยความเร็วที่ควบคุมได้ โดยการหมุนในอัตราหนึ่งสารละลายละลายยังคงแข็งที่บริเวณสัมผัสของเหลว, ในที่สุดจะสร้างกลองคริสตัลเดียวที่มีความเสมือนหมุน
ข้อดีหลักของวิธี Czochralski คือกระบวนการการเติบโตของคริสตัลสามารถสังเกตได้อย่างง่ายดายซึ่งลดความเครียดของคริสตัลลงอย่างมาก และป้องกันการเกิดนิวเคลียร์ที่ไม่ต้องการบนผนังของกระบอกวิธีการนี้ยังสามารถใช้คริสตัลเมล็ดที่ตั้งทิศทางและเทคนิค "คอ" ได้อย่างสะดวก ซึ่งลดความหนาแน่นของการสับสน
ผลลัพธ์คือ คริสตัลสีน้ําเงินทองเหลืองที่ปลูกด้วยวิธี CZ แสดงความสมบูรณ์แบบทางโครงสร้างสูง และอัตราการเติบโตและขนาดคริสตัลของพวกเขาค่อนข้างน่าพอใจคริสตัล sapphire ที่ผลิตด้วยวิธีนี้มีความหนาแน่นของ dislocation ที่ค่อนข้างต่ําและความเหมือนกันทางแสงสูงข้อเสียหลักคือ ค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้นและข้อจํากัดในการกว้างครีสตอลสูงสุด
หมายเหตุ:ถึงแม้วิธี CZ จะไม่ค่อยถูกใช้ในการผลิตคริสตัลซาฟฟายร์ทางการค้า แต่มันเป็นเทคนิคการเติบโตคริสตัลที่ใช้กันมากที่สุดในอุตสาหกรรมครึ่งประสาทเพราะมันสามารถผลิตคริสตัลขนาดใหญ่, ประมาณ 90% ของสลักซิลิคอนสลักเดียวถูกปลูกด้วยวิธี CZ.
วิธีรูปหลอม ช่องทาง EFG
วิธีรูปแบบการละลาย (Melt Shape Method) หรือที่รู้จักกันในชื่อวิธีการการเติบโตที่ถูกกําหนดด้วยหนัง (EFG) โดยการกําหนดขอบเขต (Edge-defined Film-fed Growth) ได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างอิสระในช่วงปี 1960 โดยฮาโรลด์ ลาเบลล์ ในอังกฤษ และสเตปานอฟ ในสหภาพโซเวียตวิธี EFG เป็นการเปลี่ยนแปลงของเทคนิค Czochralski และเป็นเทคโนโลยีการสร้างรูปร่างใกล้กับเครือซึ่งหมายความว่ามันจะทําให้กระจกกระจกกระจกกระจกกระจกกระจกกระจกกระจก
วิธีนี้ไม่เพียงแค่กําจัดการแปรรูปกลที่หนักที่จําเป็นสําหรับคริสตัลสังเคราะห์ในการผลิตอุตสาหกรรม แต่ยังประหยัดวัสดุแท้และลดต้นทุนการผลิตด้วย.
ข้อดีสําคัญของวิธี EFG คือประสิทธิภาพของวัสดุและความสามารถในการเจริญเติบโตของคริสตัลของรูปร่างพิเศษต่างๆมันใช้กันทั่วไปสําหรับการเจริญเติบโตของวัสดุที่มีรูปร่างหรือซับซ้อนด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี วิธี EFG ได้เริ่มนําไปใช้ในการผลิตสารสับสราตสําหรับ MOCVD
วิธีแลกเปลี่ยนความร้อน √ วิธี HEM
ในปี 1969 F. Schmid และ D. Viechnicki ได้ประดิษฐ์เทคนิคการเติบโตคริสตัลใหม่ที่รู้จักกันในชื่อวิธี Schmid-Viechnicki ในปี 1972
หลักการ
วิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อกําจัดความร้อนสร้างอุณหภูมิแนวตั้งในเขตการเติบโตของคริสตัล ด้วยอุณหภูมิที่เย็นลงด้านล่างและอุณหภูมิที่ร้อนขึ้นด้านบนโดยการควบคุมการไหลของก๊าซภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (โดยทั่วไปฮีเลียม) และปรับกําลังการทําความร้อนปล่อยให้ละลายภายในหินหอมแข็งลงอย่างค่อยๆ จากด้านล่างขึ้นไปเป็นคริสตัล.
เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการการเติบโตของคริสตัลอื่น ๆ ลักษณะที่น่าสังเกตของ HEM คือการเชื่อมต่อของเหลวแข็งถูกดําน้ําใต้พื้นผิวการละลายความรุนแรงทางอุณหภูมิและกลไกถูกยับยั้ง, ส่งผลให้มีอุณหภูมิที่เท่าเทียมกันที่อัตราต่อรอง, ซึ่งส่งเสริมการเติบโตของคริสตัลที่เท่าเทียมกันและอํานวยความสะดวกในการผลิตคริสตัลที่มีความเท่าเทียมกันทางเคมีสูง. นอกจากนี้,เนื่องจากการเผาผลาญในสถานที่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรการแข็ง HEM, ความหนาแน่นของความบกพร่องมักจะต่ํากว่าวิธีอื่น ๆ
การเปรียบเทียบเทคนิคการเจริญเติบโตของคริสตัลซะฟาย
ตั้งแต่หินแท้สังเคราะห์แรกถูกผลิตโดยวิธีการหลอมหลอมไฟในปี 1902 เทคโนโลยีต่าง ๆ สําหรับการเพาะเลี้ยงคริสตัล sapphireสังเคราะห์ได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องมีวิธีการเจริญเติบโตคริสตัลมากกว่า 12 วิธี, รวมถึงการหลอมรวมไฟ, วิธี Czochralski (CZ) และวิธี Kyropoulos (KY) ฯลฯ. วิธีแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียของมันเอง และใช้ในสาขาการใช้งานที่แตกต่างกันปัจจุบัน, เทคนิคอุตสาหกรรมหลัก ๆ ประกอบด้วยวิธี Kyropoulos, วิธี Czochralski, วิธีการการเติบโตที่กําหนดโดยหนัง (EFG) และวิธีการแข็งตัวแบบแนวราบแนวตั้ง (VHGF).ส่วนต่อไปนี้จะนําเทคนิคการเติบโตของคริสตัลซาฟฟายร์แบบทั่วไปมาในรายละเอียดมากขึ้น.
วิธีหลอมไฟ (กระบวนการ Verneuil)
กระบวนการเวอร์เนียล (Verneuil Process) หรือที่รู้จักกันในชื่อวิธีการฟิวชั่นไฟ ได้รับชื่อจากนักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อดัง ออเกสต์ วิคตอร์ หลุยส์ เวอร์เนียล (Auguste Victor Louis Verneuil)เขามีชื่อเสียงเป็นอย่างดีสําหรับการประดิษฐ์วิธีการแรกที่ใช้ได้ในทางการค้าในการสังเคราะห์หินแท้ในปี ค.ศ. 1902 เขาพัฒนาเทคนิค "การหลอมหลอม" ซึ่งยังคงถูกใช้ในปัจจุบัน เป็นวิธีที่คุ้มค่าในการผลิตหินแท้สังเคราะห์
ในฐานะที่เป็นวิธีการที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตหินแท้สังเคราะห์ในตลาด วิธีการหลอมหลอมเพลิงไม่ได้ถูกใช้เพื่อสังเคราะห์หินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินแต่ยังใช้กับการผลิต สปินเนลสังเคราะห์, รูติลสังเคราะห์, หินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินห
หลักการทํางาน
วิธีการหลอมหลอมไฟ ใช้อุณหภูมิสูงที่เกิดจากการเผาไหม้ของไฮโดรเจนและออกซิเจนขดผงอัลลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ผ่านไฟออกซิฮิดรอเจนเมื่อผงแป้งผ่านไฟ มันละลายเป็นน้ําตัวกระจกเล็ก ๆ น้อย ๆ ทันที ซึ่งหล่นลงบนไม้เมล็ดที่เย็นลง
รูปภาพต่อไปนี้แสดงแผนที่เรียบง่ายของอุปกรณ์การเติบโตของคริสตัลฟิวชั่นไฟ
สัญญาณสําคัญในการสังเคราะห์หินแท้อย่างสําเร็จ คือการใช้วัสดุดิบที่บริสุทธิ์สูง มีความบริสุทธิ์อย่างน้อย 99.9995%อัลลูมิเนียมอ๊อกไซด์ (Al2O3) เป็นวัสดุหลักโดยปกติจะพยายามลดปริมาณโซเดียม เนื่องจากปริมาณโซเดียมที่ไม่สมบูรณ์ สามารถทําให้หินมีคราบ และลดความใสของหินสามารถเพิ่มปริมาณเล็ก ๆ ของสารสกัดออกไซด์ต่าง ๆ ได้ตัวอย่างเช่น โครเมียมอ๊อกไซด์ถูกเพิ่มขึ้นเพื่อผลิตหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหและสตรอนติอุมไทนาทจะเกิดจากการเพิ่มไทนามอ๊อกซาเลตคริสตัลที่มีคุณค่าต่ํากว่าอื่น ๆ ก็สามารถผสมเข้ากับวัสดุเริ่มต้นได้
ประสิทธิภาพสูงและราคาต่ํา!วิธีการหลอมหลอมเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูกในการสังเคราะห์หินแท้เทียมถือว่าเป็นวิธีการเติบโตคริสตัลที่เร็วที่สุดในหมู่เทคนิคหินแท้สังเคราะห์ทั้งหมด, ทําให้สามารถผลิตคริสตัลขนาดใหญ่ในเวลาสั้น กลมคริสตัลประมาณ 10 กรัมสามารถเติบโตในหนึ่งชั่วโมงโดยทั่วไปเป็นคริสตัลทรงกลอง ตั้งแต่ 150 ถึง 750 คารา (1 คารา = 0.2 กรัม) ขนาดกว้างถึง 17~19 มิลลิเมตร
เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ในวิธีเพชรสังเคราะห์อื่น ๆ อุปกรณ์การหลอมหลอมเพลิงมีโครงสร้างที่เรียบง่ายที่สุดทําให้กระบวนการหลอมหลอมไฟ เหมาะสําหรับการผลิตขนาดอุตสาหกรรม และให้ผลผลิตสูงที่สุดในหมู่วิธีสังเคราะห์ทั้งหมด.
อย่างไรก็ตาม คริสตัลที่ผลิตโดยวิธีการหลอมหลอมไฟมักจะแสดงให้เห็นการเติบโตเส้นโค้งหรือแดนสีที่คล้ายกับเนื้อเยื่อของแผ่นเสียงรวมถึง Bubbles ลักษณะที่คล้ายขนมหรือรูปของ tadpoleลักษณะเหล่านี้จํากัดการใช้งานของพวกเขาในสาขา เช่น optics และ semiconductors ดังนั้นเทคนิคการหลอมหลอมเพลิงจึงเหมาะสําหรับการผลิตวัตถุที่มีกว้างขนาดเล็กเช่น เครื่องประดับ, ส่วนประกอบของนาฬิกา และเลเยอร์เครื่องมือแม่นยํา
นอกจากนี้ เนื่องจากราคาถูก คริสตัล sapphire ที่ปลูกโดยวิธีการหลอมไฟ สามารถนําไปใช้เป็นเมล็ดพันธุ์หรือวัสดุเริ่มต้นสําหรับวิธีการปลูกคริสตัลที่ใช้การละลายอื่น ๆ ได้เช่นกัน
วิธี Kyropoulos (วิธี KY)
วิธีไคโรโพลัส หรือสั้นๆ เป็นวิธี KY ถูกนําเสนอครั้งแรกโดยไคโรโพลัส ในปี 1926 และเริ่มต้นใช้ในการเจริญเติบโตของคริสตัลฮาไลด์ขนาดใหญ่, ไฮโดรออกไซด์, และคาร์บอเนตเทคนิคนี้ถูกนํามาใช้เป็นหลักในการเตรียมและศึกษาคริสตัลดังกล่าวในช่วงปี 1960 และ 1970 วิธีการนี้ถูกปรับปรุงโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียต Musatovมันถือว่าเป็นหนึ่งในการแก้ไขที่มีประสิทธิภาพที่สุด สําหรับข้อจํากัดของวิธี Czochralski ในการผลิตคริสตัลขนาดใหญ่.
คริสตัลที่ปลูกโดยวิธี Kyropoulos มีคุณภาพสูงและราคาค่อนข้างต่ํา ทําให้เทคนิคนี้เหมาะสําหรับการผลิตอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ประมาณ 70% ของสับสราตทองเหลืองที่ใช้ในโลกสําหรับการใช้งาน LED ถูกปลูกโดยใช้วิธี Kyropoulos หรือรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ของมัน.
คริสตัลเดี่ยวที่ปลูกด้วยวิธีนี้มักมีลักษณะเป็นรูปร่างเปรี้ยว (ดูรูปด้านล่าง)และกว้างของคริสตัลสามารถบรรลุขนาดเพียง 10?? 30 มมเล็กกว่ากว้างภายในของก้อนวิธี Kyropoulos ปัจจุบันเป็นหนึ่งในเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและ成熟สําหรับการเจริญเติบโตกราสซัฟฟายร์ขนาดใหญ่คริสตัล ไซฟายร์ ขนาดใหญ่ ได้ถูกผลิต ด้วยวิธีนี้แล้ว.
รายงานข่าวเมื่อเร็วๆ นี้ ชี้ให้เห็นถึงความก้าวหน้าในด้านนี้:
เมื่อวันที่ 22 ธันวาคม ที่ผ่านมา ห้องทดลองการเติบโตของคริสตัลจิงเชง (Jing Sheng Crystals) ร่วมกับบริษัทย่อย จิงฮวน อิเล็กทรอนิกส์ (Jinghuan Electronics)ได้ผลิตคริสตัลซาฟฟายร์ขนาดใหญ่ครั้งแรกที่มีน้ําหนักประมาณ 700 กิโลกรัม.
กระบวนการการเติบโตของคริสตัล Kyropoulos
ในวิธี Kyropoulos วัตถุดิบถูกทําความร้อนก่อนจนถึงจุดละลายของมันเพื่อสร้างสารละลายหลอมเมล็ดคริสตัลเดียว (ที่รู้จักกันเช่นกันว่าเมล็ดสตาร์ดคริสตัล) จากนั้นนํามาสัมผัสกับพื้นผิวของละลายณ ช่องทางของเหลวที่แข็งแรง ระหว่างเมล็ดและสารละลาย คริสตัลเดียวที่มีโครงสร้างตารางเดียวกันกับเมล็ดเริ่มต้นการเติบโตคริสตัลเมล็ดถูกดึงช้า ๆ ขึ้นไปสําหรับระยะเวลาสั้น ๆ เพื่อสร้างคอคริสตัล.
เมื่ออัตราการแข็งแรงที่จุดสัมผัสระหว่างน้ําละลายและเมล็ดเมล็ด กลายเป็นคงที่ การดึงหยุดและเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดเมล็ดคริสตัลยังคงเติบโตลง โดยการควบคุมอัตราการเย็นช้า ๆ, ทําให้ละลายแข็งจากด้านบนไปด้านล่าง ซึ่งส่งผลให้เกิดกล่องเหล็กระจกเดียวที่สมบูรณ์แบบ
คุณลักษณะของวิธีการของไครโพโลส
วิธีของไครโพโลสขึ้นอยู่กับการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยําในการปลูกคริสตัล (การควบคุมอุณหภูมิเป็นสิ่งสําคัญมาก!)ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดจากวิธี Czochralski อยู่ที่ความจริงที่ว่าเพียงคอคริสตัลถูกดึง; หน่วยหลักของคริสตัลเติบโตผ่านการควบคุมอุณหภูมิ gradients, โดยไม่มีการรบกวนเพิ่มเติมของการดึงหรือหมุน.
ขณะที่คอคริสตัลถูกดึง กําลังของเครื่องทําความร้อนถูกปรับให้ดี เพื่อนําวัสดุหลอมเข้าช่วงอุณหภูมิที่ดีที่สุดสําหรับการเติบโตของคริสตัลซึ่งช่วยให้เกิดอัตราการเติบโตที่ดีที่สุดส่งผลให้เกิดคริสตัลเดียวของทองเหลือง sapphire ที่มีคุณภาพสูง
วิธี Czochralski วิธี CZ
วิธี Czochralski หรือยังเรียกว่าวิธี CZ เป็นเทคนิคในการปลูกคริสตัลโดยการดึงและหมุนคริสตัลเมล็ดบัวจากสารละลายที่หลอมอยู่ในกระบี่ช้า ๆวิธีนี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1916 โดยนักเคมีชาวโปแลนด์ Jan Czochralskiในช่วงปี 1950 ห้องทดลองเบลล์ในสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนามันเพื่อเพาะพันธุ์เจอร์แมนเนียมและมันถูกนํามาใช้ในภายหลังโดยนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ สําหรับการเจริญเติบโตของครึ่งตัวนําคริสตัลเดียว เช่นซิลิคอนรวมถึงโลหะสระแก้วเดียว และหินแท้สังเคราะห์
วิธี CZ สามารถผลิตคริสตัลหินแท้ที่สําคัญ เช่น ซาฟฟีร์ไร้สี, หินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหินหิน
ในฐานะหนึ่งของเทคนิคที่สําคัญที่สุดในการปลูกคริสตัลเดี่ยวจากการละลาย, วิธี Czochralski ได้รับการรับรองอย่างกว้างขวาง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแปรเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับหม้อทําความร้อนด้วยการชัก.ขึ้นอยู่กับชนิดของคริสตัลที่ปลูก, วัสดุที่ใช้ในวิธีการ CZ สามารถเป็นอิริเดียม, โมลิบเดนัม, พลาตินูม, กราฟไทต์, หรืออ๊อกไซด์อื่น ๆ ที่มีจุดละลายสูงอีริดีอุม ไคร์บิลนําไปสู่การปนเปื้อนน้อยที่สุดของซาฟฟิร์ แต่มีราคาแพงมากโตงสเตนและโมลิบเดนัม ราคาถูกกว่า แต่มักนํามาระดับการปนเปื้อนที่สูงกว่า
วิธี Czochralski (CZ) กระบวนการการเติบโตของคริสตัล
ปริมาณ ของ ธ อร์ ที่ ละลายเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่สัมผัสของเหลวที่แข็งแรง ระหว่างเมล็ดและละลายผลลัพธ์คือละลายเริ่มแข็งบนพื้นผิวเมล็ด และเติบโตเป็นคริสตัลเดียวที่มีโครงสร้างคริสตัลเดียวกันกับเมล็ด
ในขณะเดียวกัน, คริสตัลเมล็ดพันธุ์ถูกดึงขึ้นอย่างช้า ๆ ด้วยความเร็วที่ควบคุมได้ โดยการหมุนในอัตราหนึ่งสารละลายละลายยังคงแข็งที่บริเวณสัมผัสของเหลว, ในที่สุดจะสร้างกลองคริสตัลเดียวที่มีความเสมือนหมุน
ข้อดีหลักของวิธี Czochralski คือกระบวนการการเติบโตของคริสตัลสามารถสังเกตได้อย่างง่ายดายซึ่งลดความเครียดของคริสตัลลงอย่างมาก และป้องกันการเกิดนิวเคลียร์ที่ไม่ต้องการบนผนังของกระบอกวิธีการนี้ยังสามารถใช้คริสตัลเมล็ดที่ตั้งทิศทางและเทคนิค "คอ" ได้อย่างสะดวก ซึ่งลดความหนาแน่นของการสับสน
ผลลัพธ์คือ คริสตัลสีน้ําเงินทองเหลืองที่ปลูกด้วยวิธี CZ แสดงความสมบูรณ์แบบทางโครงสร้างสูง และอัตราการเติบโตและขนาดคริสตัลของพวกเขาค่อนข้างน่าพอใจคริสตัล sapphire ที่ผลิตด้วยวิธีนี้มีความหนาแน่นของ dislocation ที่ค่อนข้างต่ําและความเหมือนกันทางแสงสูงข้อเสียหลักคือ ค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้นและข้อจํากัดในการกว้างครีสตอลสูงสุด
หมายเหตุ:ถึงแม้วิธี CZ จะไม่ค่อยถูกใช้ในการผลิตคริสตัลซาฟฟายร์ทางการค้า แต่มันเป็นเทคนิคการเติบโตคริสตัลที่ใช้กันมากที่สุดในอุตสาหกรรมครึ่งประสาทเพราะมันสามารถผลิตคริสตัลขนาดใหญ่, ประมาณ 90% ของสลักซิลิคอนสลักเดียวถูกปลูกด้วยวิธี CZ.
วิธีรูปหลอม ช่องทาง EFG
วิธีรูปแบบการละลาย (Melt Shape Method) หรือที่รู้จักกันในชื่อวิธีการการเติบโตที่ถูกกําหนดด้วยหนัง (EFG) โดยการกําหนดขอบเขต (Edge-defined Film-fed Growth) ได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างอิสระในช่วงปี 1960 โดยฮาโรลด์ ลาเบลล์ ในอังกฤษ และสเตปานอฟ ในสหภาพโซเวียตวิธี EFG เป็นการเปลี่ยนแปลงของเทคนิค Czochralski และเป็นเทคโนโลยีการสร้างรูปร่างใกล้กับเครือซึ่งหมายความว่ามันจะทําให้กระจกกระจกกระจกกระจกกระจกกระจกกระจกกระจก
วิธีนี้ไม่เพียงแค่กําจัดการแปรรูปกลที่หนักที่จําเป็นสําหรับคริสตัลสังเคราะห์ในการผลิตอุตสาหกรรม แต่ยังประหยัดวัสดุแท้และลดต้นทุนการผลิตด้วย.
ข้อดีสําคัญของวิธี EFG คือประสิทธิภาพของวัสดุและความสามารถในการเจริญเติบโตของคริสตัลของรูปร่างพิเศษต่างๆมันใช้กันทั่วไปสําหรับการเจริญเติบโตของวัสดุที่มีรูปร่างหรือซับซ้อนด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี วิธี EFG ได้เริ่มนําไปใช้ในการผลิตสารสับสราตสําหรับ MOCVD
วิธีแลกเปลี่ยนความร้อน √ วิธี HEM
ในปี 1969 F. Schmid และ D. Viechnicki ได้ประดิษฐ์เทคนิคการเติบโตคริสตัลใหม่ที่รู้จักกันในชื่อวิธี Schmid-Viechnicki ในปี 1972
หลักการ
วิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อกําจัดความร้อนสร้างอุณหภูมิแนวตั้งในเขตการเติบโตของคริสตัล ด้วยอุณหภูมิที่เย็นลงด้านล่างและอุณหภูมิที่ร้อนขึ้นด้านบนโดยการควบคุมการไหลของก๊าซภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (โดยทั่วไปฮีเลียม) และปรับกําลังการทําความร้อนปล่อยให้ละลายภายในหินหอมแข็งลงอย่างค่อยๆ จากด้านล่างขึ้นไปเป็นคริสตัล.
เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการการเติบโตของคริสตัลอื่น ๆ ลักษณะที่น่าสังเกตของ HEM คือการเชื่อมต่อของเหลวแข็งถูกดําน้ําใต้พื้นผิวการละลายความรุนแรงทางอุณหภูมิและกลไกถูกยับยั้ง, ส่งผลให้มีอุณหภูมิที่เท่าเทียมกันที่อัตราต่อรอง, ซึ่งส่งเสริมการเติบโตของคริสตัลที่เท่าเทียมกันและอํานวยความสะดวกในการผลิตคริสตัลที่มีความเท่าเทียมกันทางเคมีสูง. นอกจากนี้,เนื่องจากการเผาผลาญในสถานที่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรการแข็ง HEM, ความหนาแน่นของความบกพร่องมักจะต่ํากว่าวิธีอื่น ๆ
