泡生法

编辑:报纸网互动百科 时间:2020-01-26 07:33:25
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泡生法又称之为凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法.其原理与直拉法(Czochralskimethod)类似,先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再以单晶之晶种(SeedCrystal,又称籽晶棒)接触到熔汤表面,在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶,晶种以极缓慢的速度往上拉升,但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈,待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后,晶种便不再拉升,也没有作旋转,仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固,最后凝固成一整个单晶晶碇.
中文名
泡生法
外文名
Kyropoulos method
原    理
利用温度控制生长晶体
应用领域
晶体培育
作    用
蓝宝石晶体生长工艺
类    别
冶金术语
科目种类
化学

泡生法泡生法原理

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泡生法(Kyropoulos method)的原理与直拉法类似。首先原料熔融,再将一根受冷的籽晶与熔体接触,如果界面的温度低于凝固点,则籽晶开始生长。为了使晶体不断长大,就需要逐渐降低熔体的温度,同时旋转晶体,以改善熔体的温度分布。也可以缓慢地(或分阶段地)上提晶体,以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触,这就大大减少了晶体的应力,不过,当晶体与剩余的熔体脱离时,通常会产生较大的热冲击。

泡生法泡生法与提拉法的区别

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泡生法是利用温度控制生长晶体,生长时只拉出晶体头部,晶体部分依靠温度变化来生长,而拉出颈部的同时,调整加热电压以使得熔融的原料达到最合适的生长温度范围。
二十世纪七十年代以后,该法已经较少用于生长同成分熔化的化合物,而多用于含某种过量组分的体系,可以认为,常用的高温溶液顶部籽晶法是该方法的改良和发展。

泡生法泡生法工艺讲究

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泡生法制备大尺寸蓝宝石的成品率并没有提拉法那么高,其主要原因有二:第一、制备周期太长,一般生长30-40公斤的蓝宝石晶体,需要8-10天左右。在这样一个长的周期和2000多度的高温下,对设备是个很大的考验。第二、系统结构,泡生法自身独特的温场和保温装置制约了其温场的合理化设计。泡生法温场设计时上半部分类似于提拉法,由于坩埚本身不是发热体,温度梯度可以造的比提拉法更小,从这个角度来说,对于生长想宝石这类热导率很高的晶体时,是有利的。但泡生法加热和保温系统基本采用钨钼材料,所以体系呈现弱还原气氛,由此导致其炉体下半部分不能象提拉法那样采用锆等氧化物保温材料保温,而只能采用耐高温的钨钼材料,支撑庞大的坩埚及原料重量。钨钼本身作为反射屏在高温下可以起到保温的作用,但作为支撑时由于他与坩埚接触,钨钼材料具有大的热导率很,使得泡生法炉体下半部分温度梯度非常小,甚至会造成类似于温梯法那样的倒置梯度。温梯法籽晶在坩埚下方,晶体生长从下往上,其设置的倒置梯度有利于晶体的生长,但泡生法生长方式类似于一个非常缓慢的提拉法。所以泡生法晶体生长过程中,当液面随晶体生长下降时,梯度越来越小甚至会造成梯度倒置,随功率的降低晶体结晶容易粘连坩埚壁。
从上面分析来说,泡生法生长蓝宝石,并不是尺寸越大越合算。虽然一个大的尺寸晶体在掏棒时材料利用率高,但是随晶体尺寸增大,生长周期变长,生长成功率会下降。一般设备水平生长一个25-40公斤的晶体是合理的,至于60公斤、90公斤蓝宝石的生长,并不是明智的选择。另一个问题是体系的温度梯度合理化设计,应该从底部坩埚托和托盘的导热上下功夫,其方法有多样,可以在托盘和坩埚托设计成接触面小的方法,以此来达到提供成功率的目的。
越来越多人开始关注和投资蓝宝石项目,但真正从事蓝宝石晶体生长工艺研究的人介入的很少,这样一个新型设备从国外引入的时候,投资人本身没有能力消化和吸收工艺问题,还需要国内晶体生长同行进行长期的研究。[1] 

泡生法泡生法的数值模拟

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很多晶体生长模拟软件都可以模拟泡生法工艺,其中,比利时FEMAG CZ/OX软件主要用于Kyropoulos泡生法生长工艺的模拟。它可以有效地模拟分析LED光电技术、高能物理、医学成像等领域中常用的氟化物/卤化物/氧化物闪烁性晶体与大尺寸蓝宝石晶体的生长工艺过程[2] 
参考资料
  • 1.    泡生法制备蓝宝石晶体的成品率问题  .小木虫[引用日期2012-11-8]
  • 2.    François Dupret, Roman Rolinsky .Numerical Simulation of Bulk Crystal Growth for Industrial Applications :17th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy - ICCGE-17 ,2013
词条标签:
科学 学科