روش کایروپولوس
روش کایروپولوس (به انگلیسی: Kyropoulos method, KY method) یا تکنیک کایروپولوس (به انگلیسی: Kyropoulos technique) روشی برای رشد تودهای از بلور است که برای بهدست آوردن از تک بلورها استفاده میشود. این نام از روی اسپیرو کایروپولوس نامگذاری شده است، وی این روش را در سال ۱۹۲۶ به عنوان روشی برای رشد بلورهای شکننده هالید قلیایی و فلزات خاک قلیایی برای اپتیک دقیق پیشنهاد کرد.[۱][۲] بزرگترین کاربرد روش کایروپولوس، رُشد گویههای بزرگ یاقوت کبود تکبلوری است که برای تولید زیرلایههایی برای تولید اِلئیدیهای مبتنی بر نیترید گالیم و بهعنوان یک ماده نوری با دوام استفاده میشود.[۳]
تاریخچه
این روش (که اغلب به آن روش کِی وای گفته میشود) به دلیل محدودیتهای اساسی در ابعاد بلورهای رشد یافته، در سال ۱۹۲۶ به عنوان ادامه روش ورنویل و فرایند چکرالسکی ارائه شد.[۴] در ابتدا از آن برای رشد تک بلورهای هالیدهای فلز قلیایی استفاده میشد.[۵] روند بلورش مستقیم مواد ذوب شده با کاهش دمای گویه درحالی که هنوز در محفظه است متفاوت است. در مقایسه با سایرین، این فنّ امکان تولید بلورهای منفرد بسیار بزرگی را فراهم میکند که به دلیل محدودیت در آنها بدون ترک و آسیب است.[۴]
کاربرد
در حال حاضر توسط چندین شرکت در سراسر جهان برای تولید یاقوت کبود برای صنایع الکترونیک و اپتیک استفاده میشود.[۶]
روش (فرایند)
اکسید آلومینیوم با خلوص بالا (فقط چند قسمت در هر میلیون ناخالصی) در یک بوتهٔ آهنگری (ظرف مخصوص فلز مذاب) با دمای بالاتر از ۲۱۰۰ درجه سانتی گراد ذوب می شود. بهطور معمول کوره از تنگستن یا مولیبدن ساخته میشود. یک بلور بذر باجهتگیری دقیق در آلومینای(آلومینیم اکسید) مذاب فرومیرود. بلور بذر به آرامی به سمت بالا کشیده میشود و ممکن است همزمان بچرخد. با کنترل دقیق شیبهای دما، سرعت کشش و سرعت کاهش دما، میتوان شمعی بزرگ، تک بلوری و تقریباً استوانهای از مذاب تولید کرد. در مقایسه و در عوض فرایند چکرالسکی، روش کایروپولوس کل حجم مواد اولیه را در گویه بلورش میکند. اندازه و نسبت ابعاد بوته آهنگری نزدیک به بلور نهایی است و بلور به سمت پایین در بوته آهنگری بزرگ میشود، نه اینکه مانند روش چُکرالِسکی کشیده شود و از بوته خارج شود. کشش بذر به سمت بالا با سرعت بسیار کندتری نسبت به رشد بلور رو به پایین انجام میشود و اساساً برای شکلگیری هلال رابط جامد-مایع (سطح بالای منحنی یک مایع) از طریق کشش سطحی عمل میکند. سرعت رشد با کاهش آرام دمای کوره تا زمانی که کل مواد مذاب جامد شود کنترل میشود. آویختن بذر از یک حسگر وزن میتواند بازخوردی را برای تعیین سرعت رشد فراهم کند، اگرچه اندازهگیریهای دقیق به دلیل تغییر و شکل ناقص قطر بلور، شکل محدب ناشناخته رابط جامد مایع و تعامل این ویژگیها با نیروهای شناور و همرفت درون مذاب پیچیده است.[۷] روش کایروپولوس با شیبهای دمای کوچکتر در عوض و در مقایسه با بلورش نسبت به فرایند چکرالسکی شناخته میشود. مانند فرایند چکرالسکی، بلور عاری از هرگونه نیروهای مکانیکی خارجی رشد میکند، بنابراین دارای مقدار کمی نقص شبکهای کمی و تنش داخلی است.[۳] این فرایند را باید در یک فضای بی اثر مانند آرگون یا در خلأ زیاد انجام داد.
مزایا
از مزایای اصلی میتوان به سادگی فنی فرایند و امکان رشد بلورهایی با اندازههای بزرگ (بزرگتر از ۳۰ سانتیمتر) اشاره کرد.[۵][۸] این روش همچنین تراکم نابجایی کمی را نشان میدهد.[۹]
اندازهٔ بلورها
اندازه بلورهای یاقوت کبود که به روش کایروپولوس رشد کردهاند از دهه ۱۹۸۰ بهطور چشمگیری افزایش یافته است. در اواسط دهه ۲۰۰۰ بلورهای یاقوتکبود تا ۳۰ کیلوگرم تولید شدند که میتوانستند لایههایی با قطر ۱۵۰ میلیمتر تولید شوند. تا سال ۲۰۱۷، بزرگترین یاقوت کبود گزارش شده با روش کایروپولوس ۳۵۰ کیلوگرم بود و میتوانست لایههایی با قطر ۳۰۰ میلیمتر تولید شوند.[۱۰] به دلیل ساختار بلور ناهمسانگرد یاقوت کبود، جهت محور استوانهای گویههای رشد یافته با روش کایروپولوس عمود بر جهت مورد نیاز برای رسوب گالیوم نیترید (GaN) روی لایههای اِلئیدی است. این بدان معنی است که هستهها باید از کنارههای گویه قبل از ورقه ورقه شدن تراشیده شوند. این بدان معنی است که قطر گویههای بزرگ شده بهطور قابل توجهی بیشتر از ورقه ورقههای حاصل هستند. از سال ۲۰۱۷ تولیدکنندگان برجسته اِلئیدیهای آبی و سفید از لایههای یاقوت کبود با قطر ۱۵۰ میلیمتر استفاده میکنند، برخی تولیدکنندگان هنوز از لایههای ۱۰۰ میلیمتری و ۲ اینچی استفاده میکنند.
معایب
مهمترین عیب این روش سرعت ناپایدار رشد است که به دلیل تغییرات تبادل حرارتی ایجاد شده توسط اندازه گویه در حال رشد اتفاق میافتد و پیشبینی آن دشوار است. به دلیل این مشکل، بلورها به منظور جلوگیری از نقص داخلی غیر ضروری، معمولاً با سرعت بسیار کمی رشد میکنند.[۵][۸]
جستارهای وابسته
منابع
- ↑ "Evolution and Application of the Kyropoulos Crystal Growth Method", David F. Bliss, in "50 Years of Progress in Crystal Growth: A Reprint Collection", Ed. Robert Feigelson, Elsevier, 2005 شابک ۰۰۸۰۴۸۹۹۳۱
- ↑ Kyropoulos, S. (۱۹۲۶). "Ein Verfahren zur Herstellung großer Kristalle". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (به آلمانی). ۱۵۴: 308–313. doi:10.1002/zaac.19261540129.
- 1 2 Dobrovinskaya, Elena R. , Leonid A. Lytvynov, and Valerian Pishchik. Sapphire: material, manufacturing, applications. Springer Science & Business Media, 2009. شابک ۰۳۸۷۸۵۶۹۴۳
- 1 2 "Growth". clearlysapphire. Archived from the original on 17 September 2021. Retrieved 2019-04-29.
- 1 2 3 "МЕТОД КИРОПУЛОСА" [Kyropoulos method]. mathscinet.ru. Retrieved 2019-04-29.
- ↑ "Status Of the Sapphire Industry." Eric Virey. Yole-CIOE Sapphire Forum, Shenzhen, August 31st 2015. Yole Development. p. 32.
- ↑ Winkler, Jan; Neubert, Michael (2015). "Automation of Crystal Growth from Melt". In Rudolph, Peter (ed.). Handbook of Crystal Growth (2nd ed.). Elsevier B.V. pp. 1176–1178. doi:10.1016/B978-0-444-63303-3.00028-6. ISBN 978-0-444-63303-3.
- 1 2 Синтез регуляторов простой структуры для управления процессами кристаллизации (PDF). Kharkiv, Ukraine: Вісник національного технічного университету "ХПІ" №15 (1058). 2014. pp. 3–11.
- ↑ Duffar, Thierry; Sen, Gourav; Stelian, Carmen; Baruchel, José; Tran Caliste, Thu Nhi; Barthalay, Nicolas. Kyropoulos Crystal Growth Presentation (PDF) (pdf). France: Grenoble Institute of Technology. p. 4. Archived from the original (PDF) on 22 December 2018. Retrieved 22 January 2021.
- ↑ "Monocrystal introduced world's first 350 kg KY sapphire crystal" (PDF). Monocrystal. Retrieved 16 January 2018.