stringtranslate.com

Рост пьедестала с помощью лазерного нагрева

Рост пьедестала с лазерным нагревом ( LHPG ) или лазерная плавающая зона ( LFZ ) — это метод выращивания кристаллов . Узкая область кристалла расплавляется мощным CO2- или YAG- лазером. Лазер и, следовательно, плавающая зона перемещаются вдоль кристалла. Расплавленная область плавит нечистое твердое вещество на своем переднем крае и оставляет за собой след более чистого материала, затвердевшего за ним. Этот метод выращивания кристаллов из расплава ( фазовый переход жидкость/твердое тело ) используется в исследовании материалов. [1] [2]

Преимущества

Основными преимуществами этого метода являются высокие скорости вытягивания (в 60 раз выше, чем у обычного метода Чохральского ) и возможность выращивания материалов с очень высокими температурами плавления. [3] [4] [5] Кроме того, LHPG — это метод без тигля , который позволяет выращивать монокристаллы с высокой чистотой и низким напряжением.

Геометрическая форма кристаллов (метод позволяет производить кристаллы малого диаметра) и низкая стоимость производства делают монокристаллические волокна (SCF), производимые методом LHPG, подходящими заменителями объемных кристаллов во многих устройствах, особенно тех, которые используют материалы с высокой температурой плавления . [6] [7] Однако монокристаллические волокна должны иметь равные или превосходящие оптические и структурные качества по сравнению с объемными кристаллами, чтобы заменить их в технологических устройствах. Этого можно достичь путем тщательного контроля условий роста. [8] [9] [10]

Оптические элементы

Схема системы LFZ

До 1980 года рост кристаллов с лазерным нагревом использовал только два лазерных луча, сфокусированных на исходном материале. [11] Это условие создавало высокий радиальный тепловой градиент в расплавленной зоне, делая процесс нестабильным. Увеличение числа лучей до четырех не решило проблему, хотя и улучшило процесс роста. [12]

Усовершенствование метода выращивания кристаллов с помощью лазерного нагрева было сделано Фейером и др. [ 13], которые включили специальный оптический компонент, известный как рефлаксикон , состоящий из внутреннего конуса, окруженного большей коаксиальной конической секцией, обе с отражающими поверхностями. Этот оптический элемент преобразует цилиндрический лазерный луч в полую цилиндрическую поверхность большего диаметра. [14] Этот оптический компонент обеспечивает радиальное распределение энергии лазера по расплавленной зоне, уменьшая радиальные температурные градиенты. Аксиальный температурный градиент в этом методе может достигать 10000 °C/см, что очень много по сравнению с традиционными методами выращивания кристаллов (10–100 °C/см).

Скорость конвекции

Особенностью техники LHPG является высокая скорость конвекции в жидкой фазе из-за конвекции Марангони . [15] [16] Можно увидеть, что она вращается очень быстро. Даже когда кажется, что она стоит на месте, на самом деле она быстро вращается вокруг своей оси.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Фейгельсон, Р.С. (1985). "Рост кристаллов волокон". В Kaldis, E (ред.). Рост кристаллов электронных материалов . стр. 127. ISBN  978-0-444-86919-7.
  2. ^ Андрета, MRB; Хернандес, AC (2010). "Рост оксидных волокон с помощью лазерного нагрева пьедестала". В Dhanaraj, G.; Byrappa, K.; Prasad, V.; Dudley, M. (ред.). Springer Handbook of Crystal Growth . стр. 393. ISBN  978-3-540-74182-4.
  3. ^ Ardila, DR; Andreeta, MRB; Cuffini, SL; et al. (1997). "Рост монокристаллических волокон Sr2RuO4 из SrRuO3 с помощью лазерного нагрева на пьедестале " . Journal of Crystal Growth . 177 ( 1–2): 52–56. Bibcode : 1997JCrGr.177...52A. doi : 10.1016/S0022-0248(96)00904-9.
  4. ^ De Camargo, ASS; Nunes, LAO; Andreeta, MRB; et al. (2002). "Свойства ближнего инфракрасного диапазона и преобразования вверх монокристаллических волокон RE 0,8 La 0,2 VO 4 (RE = Y, Gd), легированных неодимом, выращенных методом лазерного нагрева пьедестала". Journal of Physics: Condensed Matter . 14 (50): 13889–13897. Bibcode : 2002JPCM...1413889D. doi : 10.1088/0953-8984/14/50/314. S2CID  250907003.
  5. ^ De Vicente, FS; Hernandes, AC; De Castro, AC; et al. (1999). «Спектр фотолюминесценции легированного редкоземельными элементами циркониевого волокна и зависимость мощности возбуждения». Radiation Effects and Defects in Solids . 149 (1–4): 153–157. Bibcode : 1999REDS..149..153D. doi : 10.1080/10420159908230149.
  6. ^ De Camargo, ASS; Andreeta, MRB; Hernandes, AC; et al. (2006). "1,8 мкм эмиссия и поглощение возбужденного состояния в LHPG выращенных монокристаллических волокнах Gd 0,8 La 0,2 VO 4 :Tm 3+ для миниатюрных лазеров". Optical Materials . 28 (5): 551–555. Bibcode :2006OptMa..28..551D. doi :10.1016/j.optmat.2005.07.002.
  7. ^ Romero, JJ; Montoya, E.; Bausa, LE; et al. (2004). «Многоволновое лазерное воздействие на монокристаллы Nd 3+ :YAlO 3 , выращенные методом роста на нагреваемом лазером пьедестале». Optical Materials . 24 (4): 643–650. Bibcode :2004OptMa..24..643R. doi :10.1016/S0925-3467(03)00179-4. S2CID  95249182.
  8. ^ Прокофьев, В.В.; Андрета, Дж.П.; Делима, К.Дж.; и др. (1995). «Микроструктура монокристаллических волокон силленита». Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах . 134 (1–4): 209–211. Bibcode :1995REDS..134..209P. doi :10.1080/10420159508227216.
  9. ^ Прокофьев, В.В.; Андрета, Дж.П.; Делима, К.Дж.; и др. (1995). «Влияние градиентов температуры на структурное совершенство монокристаллических волокон силленита, выращенных методом LHPG». Оптические материалы . 4 (4): 521–527. Bibcode :1995OptMa...4..521P. doi :10.1016/0925-3467(94)00123-5.
  10. ^ Андрета, MRB; Андрета, ERM; Хернандес, AC; и др. (2002). «Управление термическим градиентом на границе раздела твердое тело–жидкость в технике роста на пьедестале с лазерным нагревом». Журнал роста кристаллов . 234 (4): 759–761. Bibcode : 2002JCrGr.234..759A. doi : 10.1016/S0022-0248(01)01736-5.
  11. ^ Burrus, CA; Stone, J. (1975). "Оптические устройства на основе монокристаллического волокна: волоконный лазер Nd:YAG". Applied Physics Letters . 26 (6): 318. Bibcode : 1975ApPhL..26..318B. doi : 10.1063/1.88172.
  12. ^ Хаггерти, Дж. С. (1972). «Производство волокон методом вытяжки волокон в плавающей зоне, Заключительный отчет». NASA-CR-120948. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ Fejer, MM; Byer, RL; Feigelson R.; Kway W. (1982). "Рост и характеристика монокристаллических огнеупорных оксидных волокон". Труды SPIE, Advances in Infrared Fibers II . Т. 320. Bellingham, WA: SPIE . стр. 50. ISBN  978-0-89252-355-9.
  14. ^ Эдмондс, В. Р. (1973). «Рефлаксикон: новый отражательный оптический элемент и некоторые приложения». Прикладная оптика . 12 (8): 1940–5. Bibcode : 1973ApOpt..12.1940E. doi : 10.1364/AO.12.001940. PMID  20125635.
  15. ^ Liu, M.; Chen, JC; Chiang, CH; Hu, LJ; Lin, SP (2006). «Волокна кристалла сапфира, легированные магнием, выращенные методом роста на пьедестале с лазерным нагревом». Японский журнал прикладной физики . 45 (1A): 194–199. Bibcode : 2006JaJAP..45..194L. doi : 10.1143/JJAP.45.194. S2CID  120615103.
  16. ^ Видео, представленное в следующей ссылке, показывает конвекцию жидкой фазы во время вытягивания волокна ниобата лития (LiNbO 3 ) с использованием очень маленького куска платиновой проволоки внутри жидкости, которая может вращаться. "Конвекция при лазерном нагреве пьедестала". YouTube . 23 июля 2008 г.