طريقة كيروبولوس

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

طريقة كيروبولوس ، والمعروفة أيضًا باسم طريقة KY أو تقنية كيروبولوس ، هي طريقة لنمو البلورات بكميات كبيرة تستخدم للحصول على بلورات مفردة .

يتمثل أكبر تطبيق لطريقة كيروبولوس في إنماء بلورات كبيرة من الياقوت أحادي البلورة المستخدمة في إنتاج ركائز لتصنيع مصابيح LED القائمة على نتريد الغاليوم ، وكمادة بصرية متينة. [ 1 ]

تاريخ

سُميت هذه الطريقة نسبةً إلى سبايرو كيروبولوس ، الذي اقترحها عام 1926 كوسيلة لإنماء بلورات هشة من هاليدات الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية لأغراض البصريات الدقيقة. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] وقد جاءت هذه الطريقة استجابةً لمحدودية أحجام البلورات التي كانت متاحة آنذاك باستخدام طريقتي تشوخرالسكي وفيرنوي . [ 5 ]

تم تطبيق طريقة كيروبولوس على نمو بلورات الياقوت في سبعينيات القرن العشرين في الاتحاد السوفيتي . [ 1 ]

الطريقة

بلورة ياقوت أحادية الطبقة مُنمّاة بطريقة كيروبولوس. يبلغ  قطرها حوالي 200 مم ووزنها حوالي 30  كجم. (تظهر بلورة ثانية في الخلفية).

تُصهر المادة الأولية في بوتقة . (في عملية نمو بلورات الياقوت، تُستخدم أكسيد الألومنيوم عالي النقاوة - بنسبة شوائب لا تتجاوز بضعة أجزاء في المليون - ثم تُسخّن إلى درجة حرارة أعلى من 2100  درجة مئوية في بوتقة من التنجستن أو الموليبدينوم ). تُغمس بلورة بذرة موجهة بدقة في المادة المنصهرة. تُسحب بلورة البذرة ببطء إلى الأعلى، ويمكن تدويرها في الوقت نفسه. من خلال التحكم الدقيق في تدرجات درجة الحرارة، ومعدل السحب، ومعدل انخفاض درجة الحرارة، يُمكن إنتاج سبيكة كبيرة أحادية البلورة، أسطوانية الشكل تقريبًا، من المادة المنصهرة.

على عكس طريقة تشوخرالسكي، تعمل تقنية كيروبولوس على بلورة كامل حجم المادة الخام داخل البوتقة. يكون حجم البوتقة ونسبة أبعادها قريبة من حجم البلورة النهائية، وتنمو البلورة إلى أسفل داخل البوتقة، بدلاً من سحبها إلى أعلى وخارجها كما في طريقة تشوخرالسكي. ويكون سحب البذرة إلى أعلى أبطأ بكثير من نمو البلورة إلى أسفل، ويُستخدم بشكل أساسي لتشكيل سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل بفعل التوتر السطحي .

يتم التحكم في معدل النمو عن طريق خفض درجة حرارة الفرن تدريجيًا حتى يتصلب المصهور بالكامل. ويمكن استخدام تعليق البذرة بواسطة مستشعر وزن لتوفير بيانات لتحديد معدل النمو، على الرغم من أن القياسات الدقيقة معقدة بسبب تغير شكل قطر البلورة وعدم انتظامه، والشكل المحدب غير المعروف للسطح الفاصل بين الطورين الصلب والسائل، وتفاعل هذه الخصائص مع قوى الطفو والتيارات الحرارية داخل المصهور. [ 6 ]

تتميز طريقة كيروبولوس بتدرجات حرارية أقل عند جبهة التبلور مقارنةً بطريقة تشوخرالسكي. وكما هو الحال في طريقة تشوخرالسكي، تنمو البلورة دون أي قوى تشكيل ميكانيكية خارجية، وبالتالي تحتوي على عيوب شبكية قليلة وإجهاد داخلي منخفض . [ 1 ] يمكن إجراء هذه العملية في جو خامل ، مثل الأرجون ، أو تحت فراغ عالٍ .

المزايا

تشمل المزايا الرئيسية سهولة العملية من الناحية التقنية وإمكانية تنمية بلورات بأحجام كبيرة (≥30  سم). [ 4 ] [ 7 ] كما تُظهر هذه الطريقة كثافة منخفضة للعيوب البلورية. [ 8 ]

العيوب

تتمثل أبرز عيوب هذه الطريقة في عدم استقرار سرعة النمو، والذي يحدث نتيجة لتغيرات التبادل الحراري الناجمة عن نمو حجم البلورة، والتي يصعب التنبؤ بها. ولتجنب هذه المشكلة، تُنمّى البلورات عادةً بسرعة بطيئة جدًا لتفادي العيوب الداخلية غير الضرورية. [ 4 ] [ 7 ]

طلب

تستخدم العديد من الشركات حول العالم هذه الطريقة حاليًا لإنتاج الياقوت لصناعات الإلكترونيات والبصريات. [ 9 ]

أحجام البلورات

ازدادت أحجام بلورات الياقوت المزروعة بطريقة كيروبولوس بشكل ملحوظ منذ ثمانينيات القرن الماضي. ففي منتصف العقد الأول من الألفية الثانية،  تم تطوير بلورات ياقوت يصل وزنها إلى 30 كيلوغرامًا، والتي يمكن أن تنتج  ركائز بقطر 150 مليمترًا. وبحلول عام 2017، بلغ وزن أكبر ياقوتة مزروعة بطريقة كيروبولوس 350  كيلوغرامًا، ويمكن أن تنتج  ركائز بقطر 300 مليمتر. [ 10 ]

Because of sapphire's anisotropiccrystal structure, the orientation of the cylindrical axis of the boules grown by the Kyropoulos method is perpendicular to the orientation required for deposition of GaN on the LED substrates.[11] This means that cores must be drilled through the sides of the boule before being sliced into wafers. This means the as-grown boules have a significantly larger diameter than the resulting wafers.

As of 2017 the leading manufacturers of blue and white LEDs used 150 mm diameter sapphire substrates, with some manufacturers still using 100 mm, and 2 inch substrates.

See also

References

  1. 123Dobrovinskaya, Elena R., Leonid A. Lytvynov, and Valerian Pishchik. Sapphire: material, manufacturing, applications. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
  2. ↑"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 ISBN 0080489931
  3. ↑Kyropoulos, S. (1926). "Ein Verfahren zur Herstellung großer Kristalle". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (in German). 154: 308–313. doi:10.1002/zaac.19261540129.
  4. 123"МЕТОД КИРОПУЛОСА"[Kyropoulos method]. mathscinet.ru. Retrieved 2019-04-29.
  5. ↑"Growth". clearlysapphire. Archived from the original on 2021-09-17. Retrieved 2019-04-29.
  6. ↑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 9780444633033.
  7. 12Синтез регуляторов простой структуры для управления процессами кристаллизации(PDF). Kharkiv, Ukraine: Вісник національного технічного университету "ХПІ" №15 (1058). 2014. pp. 3–11.
  8. ↑ دوفار، تييري؛ سين، غوراف؛ ستيليان، كارمن؛ باروشيل، خوسيه؛ تران كاليست، ثو نهي؛ بارثالاي، نيكولاس. عرض تقديمي حول نمو بلورات كيروبولوس (ملف PDF). فرنسا: معهد غرونوبل للتكنولوجيا . ص 4. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 22 ديسمبر 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2019 . 
  9. ↑ "وضع صناعة الياقوت". إريك فيري. منتدى الياقوت Yole-CIOE، شنتشن، 31 أغسطس 2015. Yole Development. ص 32.
  10. ↑ "شركة مونوكريستال تُقدّم أول بلورة ياقوت KY في العالم بوزن 350 كجم" (ملف PDF) . مونوكريستال . تاريخ الاطلاع: 16 يناير 2018 . 
  11. ↑ بروني، فرانك ج. (11 سبتمبر 2014). "نمو بلورات الياقوت لركائز الثنائيات الباعثة للضوء عالية السطوع". أبحاث وتكنولوجيا البلورات . 50 : 133-142 . doi : 10.1002/crat.201400230 . S2CID 93605097 .