Podstawy technologii monokryształów

Transkrypt

1 1

2 Wiadomości ogólne Monokryształy - Pojedyncze kryształy o jednolitej sieci krystalicznej. Powstają w procesie krystalizacji z substancji ciekłych, gazowych i stałych, w określonych temperaturach oraz pod odpowiednimi ciśnieniami. Cel chemiczny: Minimalne stężenie defektów i domieszek Równomierne rozmieszczenie domieszek Określona wartościowośd Założona koordynacja w sieci Cel technologiczny: Anizotropia właściwości Odpornośd na pełzanie 2

3 Otrzymywanie z fazy stałej: W wyniku przemiany fazowej w stanie stałym ( np. w przemianach metamorficznych w procesach geologicznych) z fazy ciekłej: Przez bezpośrednie zestalanie cieczy, odparowanie, przez wyciąganie monokryształu ze stopionego materiału z fazy pary: Przez sublimację, metodą gazowego transportu chemicznego. Niezbędne warunki do otrzymywania: Szczególna czystośd odczynników Ciśnienie rzędu Tr Utrzymywanie stałości temperatury (minimum 0.1 C i lepsza) 3

4 Otrzymywanie z fazy stałej: W wyniku przemiany fazowej w stanie stałym ( np. w przemianach metamorficznych w procesach geologicznych) - rekrystalizacja z fazy ciekłej: Przez bezpośrednie zestalanie cieczy, odparowanie, przez wyciąganie monokryształu ze stopionego materiału z fazy pary: Przez sublimację, metodą gazowego transportu chemicznego. Niezbędne warunki do otrzymywania: Szczególna czystośd odczynników Ciśnienie rzędu Tr Utrzymywanie stałości temperatury (minimum 0.1 C i lepsza) 4

5 Proces krystalizacji Zarodkowanie Wzrost 5

6 Zarodkowanie Proces krystalizacji Zarodkowanie Wzrost Aby kryształ mógł rosnąd, najpierw proces musi się rozpocząd: musi powstad zarodek, czyli bardzo niewielki kryształ nowej fazy. Przechłodzenie Przesycenie roztworu, Czynnik zewnętrzny Sztuczne wprowadzenie zarodka 6

7 Zarodkowanie Zbyt małe zarodki zanikają. Te które osiągną krytyczną wielkośd ulegają wzrostowi. Energia swobodna kryształu tworzącego się np. w cieczy składa się z energii swobodnej ciała stałego (która jest mniejsza niż energia swobodna cieczy) oraz z energii swobodnej powierzchni rozdziału dwóch faz: ciekłej i stałej. Im mniejsza objętośd w stosunku do powierzchni, tym proces jest mniej prawdopodobny. Dlatego istnienie małych zarodków wymaga przechłodzenia. 7

8 Zarodkowanie z fazy gazowej Otrzymywanie z fazy gazowej wymusza doprowadzenie metalu do wrzenia. Techniki można podzielid w zależności czy rura (tygiel) jest bezpośrednio podłączona do aparatury próżniowej czy też nie. Można również podzielid je ze względu na to czy następuje ruch rury względem gradientu czy gradient jest przesuwany względem rury. 8

9 Zarodkowanie z fazy gazowej Odprowadzanie substancji krystalizującej w strumieniu gazu obojętnego. W tych warunkach tworzy się dużo kryształów różnej wielkości. Wykorzystuje się te, których rozmiar jest wystarczający do przeprowadzenia badao. 9

10 Zarodkowanie z fazy stałej Wzrost kryształów z fazy stałej jest ograniczony przez czynniki ograniczające rozrost pojedynczego ziarna w metalu. Jedna ze stosowanych technik polega na takim dobraniu parametrów rekrystalizacji, aby w wyniku tego procesu powstał jeden zarodek rekrystalizacji, a w dalszym etapie rozrósł się obejmując swoją granicą cały zrekrystalizowany materiał. Głównym czynnikiem zmiennym procesie jest zgniot krytyczny materiału. Za miarę zgniotu przyjmuje się stopieo odkształcenia wyrażany np. zmianą długości lub zmianą przekroju poprzecznego w procentach: 10

11 Zarodkowanie z fazy stałej 11

12 Zarodkowanie z fazy ciekłej Podstawowe metody otrzymywania z fazy ciekłej Metoda Bridgmana-Stockbargera Metoda Czochralskiego Metoda Verneuila Metoda Topienia strefowego Warunki: Materiał musi topid się odpowiednio, czyli bez zmiany składu podczas procesu. Materiał nie może rozkładad się przed stopieniem; tzn. nie może to byd np. SiC, z powodu dekompozycji SiC przed stopieniem. Materiał nie może podlegad przemianie fazowej w T (T M ; RT); Np. SiO 2 podlega w 583 C przemianie z α do β kwarcu (dlatego jest hodowany metoda hydrotermiczną). Metoda hydrotermiczna (z fazy gazowej): Metoda wykorzystująca wodę pod ciśnieniem i w temperaturze powyżej punktu wrzenia. Typowe ciśnienie w zakresie barów i temperatura: o C. 12

13 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Bridgmana-Stockbargera 13

14 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Bridgmana-Stockbargera Zalety: Prostota kształt kryształu zdeterminowany przez kształt naczynia. Nie potrzeba radialnego gradientu temp. w celu kontroli kształtu kryształu Nieduże naprężenia termiczne nie duża ilośd dyslokacji indukowanych naprężeniem Kryształy można hodowad w zamkniętych ampułkach (kontrola zawartości stopu) Wady: Ograniczony wzrost: wpływ ciśnienia, jakie wywiera pojemnik na kryształ w czasie chłodzenia Trudnośd w obserwacji procesu dalszego zarodkowania i wzrostu kryształu Utrudnienia w produkcji na dużą skalę (Przygotowanie ampułek i zarodków, uszczelnianie itp.) 14

15 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Bridgmana-Stockbargera Zastosowanie: Metoda stosowana do otrzymywania wszystkich podstawowych grup materiałów: Metali Stopów (także eutektycznych) Półprzewodników Tlenków i ceramiki Kryształów jonowych Materiałów organicznych 15

16 Zarodkowanie z fazy ciekłej 16

17 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Czochralskiego 17

18 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Czochralskiego Tzw. Metoda wyciągania Szybkośd wzrostu kryształu wynosi 1-40mm/h Podstawowa metoda otrzymywania półprzewodnikowych (Si, Ge) 18

19 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Czochralskiego Zalety: Kryształ może byd obserwowany Możliwośd produkcji na dużą skalę (otrzymywanie dużych kryształów) Możliwośd osiągnięcia wysokiej czystości i jednorodności kryształów Uzyskanie produktu o określonej orientacji krystalograficznej Wady: Niemożliwe użycie materiałów o prężności pary Proces wymagający stosowania substratu porcjami trudno wdrożyd proces ciągły Kryształ musi byd obracany Proces wymaga dbałości i ciągłej uwagi jak i dokładnej kontroli Duży gradient temperatury (kontrola ) przy małym trudnośd kontroli kształtu Duże naprężenia termiczne 19

20 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Czochralskiego 20

21 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Czochralskiego 21

22 Zarodkowanie z fazy ciekłej Metoda Verneuila Metoda beztyglowa Ziarna substancji (2-100µm) Płomieo tlenowo-wodorowy C Pręt żaroodporny obniża się mm/h Uzyskujemy monokryształy substancji trudno topliwych (np. rubin, szafir) 22

23 Monokryształy Mierząca prawie 1,5 metra długości i 20 cm średnicy bryła krzemu jest jednym kryształem Kryształ otrzymany metodą hydrotermiczną 23

24 Zastosowanie 24

25 Zastosowanie 25

26 Metoda Bridgmana PRz Nagrzewanie i chłodzenie odlewu oraz formy ceramicznej odbywa się przez promieniowanie cieplne Izolacja cieplna Grzejniki Forma ceramiczna Przegroda cieplna Pierścienie chłodzące Przestrzeo chłodząca pieca 26

27 Stężenie składnika stopowego na froncie krystalizacji C c x C 0 C 0 1 k Mikroskopowy kształt frontu krystalizacji odlewu monokrystalicznego k 0 o exp v D c x płaski komórkowy Makroskopowy kształt frontu krystalizacji likwidus komórkowodendrytyczny strefa ciekło-stała solidus 27

28 Symulacja rozkładu wartości temperatury w odlewie - program ProCAST Prędkośd wyciągania 6 mm/min Likwidus Prędkośd wyciągania 3 mm/min G z G c G x 28

29 Symulacja krystalizacji ziarn program ProCAST Krystalizacja kierunkowa Starter i selektor 29