ames лабораторный ученый paul canfield удаляет образец из печи для роста потока. кредит: ames лаборатория

вес При создании новых материалов монокристаллы играют важную роль в представлении более четкой картины внутренних свойств материала. типичный материал будет состоять из множества мелких кристаллов, а границы зерен между этими кристаллами могут выступать в качестве препятствий, влияющих на такие свойства, как электрическое или термическое сопротивление.

«Эти границы могут иметь глубокие последствия, как хорошие, так и плохие», - сказал ученый-ученый-амис и заместитель директора tom lograsso. «Как правило, материал, имеющий меньшие и меньшие кристаллы, на самом деле имеет улучшенные механические свойства».

исключение из этого правила заключается в том, что при высокой температуре относительно температуры плавления мелкие кристаллы могут иметь тенденцию скользить друг мимо друга, свойство, называемое ползучести. по этой причине турбинные лопатки в некоторых реактивных двигателях или генераторах фактически образованы из монокристаллов никелевого сплава. несколько других повседневных применений с использованием монокристаллов - полупроводники, детекторы, такие как инфракрасные или радиационные датчики и лазеры.

«Активный компонент в лазере - это монокристалл», - сказал лорассо, который также является научным сотрудником по науке и технике штата Айова, «потому что границы кристаллических зерен будут рассеивать свет».

с научной точки зрения, особенно при создании нового материала, ученые хотят удалить как можно больше переменных, чтобы лучше понять свойства материала. основной способ сделать это - начать с сырьевых материалов, которые настолько чисты, насколько это возможно, и произвести материал как монокристалл. «Вам не нужны дефекты кристаллической структуры, и вы не хотите загрязнений, которые могут быть источником дополнительной зародышеобразования», - сказал лограссо. «Новые материалы могут иметь новую физику, и мы можем определить, что это такое, если мы сделаем измерения на чистом, нетронутом образце (т. Е. Монокристалле). и если мы будем делать это последовательно, мы сможем провести сравнение с другими материалами и посмотреть, как оно вписывается в наше понимание конкретного поведения ».

Ученые лаборатории ames используют ряд методов выращивания монокристаллов, каждый из которых подходит для получения кристаллов из разных типов материалов. однако основная предпосылка - это то же самое - перенасыщение раствора, а затем осаждение кристалла.

«Как дети, мы знакомы с добавлением каменной соли или сахара в горячую воду, пока вы не пересыхаете с жидкостью», - сказал лограссо. «Тогда, когда вода остывает и в конечном итоге начинает испаряться, кристаллы соли или сахара начинают формироваться, а затем расти.

«Вы можете сделать то же самое с любыми двумя материалами, используя один в качестве растворителя, а затем использовать тепло или высокие температуры для перенасыщения растворителя», - продолжил он. «Сложная часть состоит в том, чтобы получить монокристалл, чтобы сначала сформировать, а затем расти».

ames lab ученого deborah schlagel держит графитовый тигель (слева) и кристалл медного кристалла (справа). кредит: ames лаборатория

это «искусство практикующего» требует терпения и умения, хотя различные методы, описанные здесь, также оказывают некоторую помощь. как правило, высокотемпературный градиент также способствует ускорению перехода от жидкости к твердому.

метод бриджмена

один из наиболее известных методов, метод бриджмена, названный для гарвардского физика percy williams bridgman, использует тигель с остроконечным коническим концом. эта тонкая точка способствует росту монокристалла, когда тигель выходит из нагретой части печи. тепло обеспечивается через нагревательный элемент, аналогичный нагреву в домашней печи (сопротивление) или через магнитное поле (индукция).

«Тигли стареют с течением времени и становятся лучше при производстве монокристаллов», - сказал лограссо. «К сожалению, вы иногда ломаете тигель, снимая кристалл. потому что они растут внутри тигля, кристаллы, образовавшиеся таким образом, могут также создавать такие напряжения, как трещины или пустоты ».

Лаборатория ames также имеет специальную печь бриджмена, которая позволяет выращивать кристаллы при более высоких давлениях - до 15 бар. это позволяет выращивать кристаллы из сплавов, содержащих летучие компоненты. высокое давление не позволяет этим компонентам, которые имеют более низкую температуру кипения, чем другие компоненты сплава, от вспышки в виде пара до образования кристалла.

эта печь использует индукционный нагрев, который обеспечивает более крутой температурный градиент, что позволяет ускорить темпы роста кристаллов, чтобы еще больше минимизировать испарение и реакцию с тиглем.

czochralski technique

этот метод также нагревает материал в тигле, но здесь кристалл фактически вытягивается из расплавленного раствора. Лограссо сравнивает его с погружением свечи «за исключением того, что вы только окунаете один раз».

четыре полусферических отражателя фокусируют световую энергию от мощных галогенных ламп на материал, который подвешен над портом в центре. кредит: ames лаборатория

затравочный кристалл материала прикреплен к концу стержня. стержень опускается до тех пор, пока кристалл семян не коснется поверхности расплавленного материала в тигле. то стержень затем поворачивается и отводится очень медленно, вытягивая из кристалла только что образовавшийся кристалл.

«Потому что кристалл является автономным, у него нет стрессов, которые вы иногда получаете с помощью метода Бриджмена», - сказал лограссо. «В зависимости от материала, кристаллы могут также иметь диаметр 60 см или больше и длину в несколько футов. это очень распространенный метод получения больших кристаллов кремния, которые нарезаются на пластины для использования в полупроводниках ».

метод флоат-зоны

оптическая система с плавающей зоной использует сфокусированный свет высокой интенсивности для создания монокристаллов, особенно тех, которые содержат оксиды металлов. по словам младшего ученого yong liu, эта техника предлагает несколько преимуществ для выращивания многих типов кристаллов.

«Это без контейнера - вам не нужно или использовать тигель для выращивания кристалла, чтобы он не устранял никакой потенциальной реакции между образцом и контейнером», - сказал Лиу. «Потому что зона расплава очень сфокусирована и узка, мы можем добиться очень большого градиента температуры между твердой и жидкой фазами, что приводит к высокому качеству роста кристаллов».

типичная оптическая плавающая зонаная печь состоит из четырех мощных галогенных ламп, расположенных в кольце вокруг образца. полусферические отражатели вокруг каждой лампы фокусируют интенсивную световую энергию в узкой полосе вокруг образца при температурах до 2100 градусов Цельсия.

сам слиток образца начинается с двух частей. более короткая «семенная» сторона находится на дне и удерживается в основании. более длинная «кормовая» сторона подвешена близко к стороне семени. по мере того, как обе стороны начинают таять, на каждой поверхности собирается небольшой пул жидкости, и при приближении их друг к другу поверхностное натяжение бассейнов соединяется с формой часового полотна расплавленного материала между сторонами семян и корма ,

путем скручивания двух сторон в противоположных направлениях, жидкий образец эффективно «перемешивают», чтобы обеспечить равномерное распределение материала в зоне расплава. образец затем медленно опускают через сфокусированный круг света, позволяя узкой зоне расплава постепенно расплавляться, перемешивать и затвердевать до подающей стороны образца.

как только кристалл сформировался в тигле роста, эта сборка помещается в центрифугу. избыточная жидкость захватывается в тигле. стеклянную шерсть затем захватывает жидкость, оставляя кристалл в тигле роста. кредит: ames лаборатория

«Для материалов с низким давлением паров мы можем выращивать кристаллы со скоростью одного миллиметра в час», - сказал Лиу. «Мы можем использовать технику на различных материалах, но мы всегда начинаем с диаграммы состояния (вид карты роста), чтобы определить, возможно ли это. мы не можем выращивать кристаллы с высоким давлением паров или которые могут быть токсичными с использованием этого метода ».

рост раствора / потока

в то время как другие три метода хорошо работают для материалов, где известен кристаллический результат, исследователи также стремятся обнаружить и развить монокристаллы новых бинарных, тройных, четвертичных или высших соединений. во многих случаях материалы в этих соединениях не плавятся конгруэнтно, то есть они не плавятся при одной температуре.

«Рост решения чрезвычайно разносторонний, и вы часто можете оптимизировать его и быстро прокручивать», - сказал физик-лаборатория ames и государственный университет штата Айова, уважаемый профессор Паул Канфилд. «В общем, он не дает вам такой большой кристалл, но для основных физических измерений нечто между миллиметром и сантиметром более чем достаточно».

на практике соединения для целевого кристалла объединены с материалом, который будет служить в качестве раствора, в котором кристаллическое соединение будет растворяться. например, для выращивания кристалла церия-сурьмы из раствора олова или потока, вы можете начать с четырех процентов каждого из ce и sb с другими 92 процентами sn.

материалы попадают в тигль «рост», который соединен с «улавливающим» тиглем. они затем запечатываются в силикатной трубке. трубчатый узел помещают в печь и нагревают, так что все элементы расплавляются. затем температуру снижают ближе к температуре плавления элемента раствора, позволяя сформировать кристалл-мишень. в примере ce-sb in sn, начальная температура составляет примерно 1000 градусов Цельсия, а затем опускается до 600 градусов.

чтобы затем отделить жидкий олово от кристалла ce-sb, трубчатый узел удаляют из печи и сразу же помещают в центрифугу, которая выталкивает оставшуюся жидкую олово в тигель, оставляя кристалл позади. центрифуга обеспечивает до 100 раз силу простого гравитационного декантирования, что приводит к «чистым» кристаллам.

«Когда вы разрабатываете новые материалы, вам нужно иметь некоторое знакомство с ингредиентами и техникой, - сказал Канфилд. «С ростом раствора мы можем перейти от взгляда на сверхпроводники и ферромагнетики, на спиновые стекла, на квазикристаллы - переходить от одного материала к другому другому - просто путем изменения элементов или условий роста. в течение 20 лет здесь мы приближаемся к 10 тысячам разного роста ».

Источник: Phys

Для получения более подробной информации, пожалуйста, посетите наш веб-сайт: http://www.semiconductorwafers.net ,

отправьте нам письмо по адресу angel.ye@powerwaywafer.com или powerwaymaterial@gmail.com ,