عمليات التشكيل في نمو البلورات

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُعدّ عمليات التشكيل في نمو البلورات مجموعة من التقنيات لإنتاج بلورات ضخمة ذات شكل محدد من المصهور، وذلك عادةً بتقييد شكل سطح السائل باستخدام أداة تشكيل ميكانيكية. تُنمّى البلورات عادةً على شكل ألياف، أو أسطوانات صلبة، أو أسطوانات مجوفة (أو أنابيب)، أو صفائح (أو ألواح). كما تم إنتاج أشكال أكثر تعقيدًا، مثل الأنابيب ذات المقطع العرضي المعقد، والقباب. [ 1 ] يُمكن استخدام عملية التشكيل لإنتاج بلورة قريبة من الشكل النهائي، وتقليل تكلفة تصنيع البلورات المصنوعة من مواد باهظة الثمن أو يصعب تشكيلها.

قائمة عمليات التشكيل

نمو مُغذّى بغشاء محدد الحواف

طُوِّرت تقنية نمو البلورات بتقنية التغذية بالفيلم المحدد الحواف ( EFG) لنمو الياقوت في أواخر الستينيات من القرن الماضي على يد هارولد لابيل وأ. ملافسكي في شركة تايكو للصناعات. [ 4 ] يستقر قالب تشكيل (يُشار إليه أيضًا باسم "القالب")، ذو أبعاد تُقارب أبعاد البلورة المراد نموها، فوق سطح المصهور الموجود داخل بوتقة . تُغذّي الخاصية الشعرية المادة السائلة إلى شق في مركز قالب التشكيل. عند ملامسة بلورة البذرة للفيلم السائل ورفعها لأعلى، تتشكل بلورة واحدة عند السطح الفاصل بين البذرة الصلبة والفيلم السائل. ومع استمرار سحب البذرة لأعلى، تتمدد البلورة مع تشكل فيلم سائل بينها وبين السطح العلوي لقالب التشكيل. عندما يصل الفيلم إلى حواف قالب التشكيل، يتطابق شكل البلورة النهائي مع شكل القالب.

تختلف الأبعاد الدقيقة للبلورة عن أبعاد جهاز التشكيل، لأن لكل مادة زاوية نمو مميزة ، وهي الزاوية المتكونة عند السطح الفاصل الثلاثي بين البلورة الصلبة والطبقة السائلة والهواء الجوي. [ 5 ] وبسبب زاوية النمو، فإن تغيير ارتفاع الهلالة (أي سمك الطبقة السائلة) سيؤدي إلى تغيير أبعاد البلورة. ويتأثر ارتفاع الهلالة بسرعة السحب ومعدل التبلور. ويعتمد معدل التبلور على تدرج درجة الحرارة فوق جهاز التشكيل، والذي يتحدد بدوره بتكوين المنطقة الساخنة لفرن نمو البلورات ، والطاقة المُطبقة على عناصر التسخين أثناء النمو. كما أن اختلاف معاملات التمدد الحراري بين مادة جهاز التشكيل ومادة البلورة قد يُسبب اختلافات ملحوظة في الحجم بين جهاز التشكيل والبلورة عند درجة حرارة الغرفة، وذلك بالنسبة للبلورات التي تنمو في درجات حرارة عالية .

ينبغي أن تكون مادة التشكيل غير متفاعلة مع كل من المصهور وجو النمو، وأن تكون رطبة بالمصهور. [ 6 ]

من الممكن إنماء بلورات متعددة من بوتقة واحدة باستخدام تقنية EFG، على سبيل المثال عن طريق إنماء العديد من الصفائح المتوازية.

التطبيقات

الياقوت : تُستخدم تقنية EFG لإنتاج ألواح كبيرة من الياقوت ، تُستخدم بشكل أساسي كنوافذ متينة تعمل بالأشعة تحت الحمراء لأغراض الدفاع وغيرها من التطبيقات. تُنتج نوافذ بسمك 7  مم وعرض 300  مم وطول 500 مم تقريبًا. [ 7 ] عادةً ما تُصنع أداة التشكيل من الموليبدينوم . 

السيليكون: استُخدمت تقنية EFG في العقد الأول من الألفية الثانية من قِبل شركة Schott Solar لإنتاج صفائح السيليكون لألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية ، وذلك عن طريق سحب  شكل ثماني الأضلاع رقيق الجدران (حوالي 250-300 ميكرومتر) بأضلاع طولها 12.5  سم وقطرها حوالي 38  سم،  وطولها حوالي 5-6 أمتار. [ 8 ] عادةً ما تُصنع أداة التشكيل من الجرافيت .

أكاسيد أخرى : تم إنتاج العديد من الأكاسيد ذات نقطة الانصهار العالية بتقنية EFG، من بينها Ga₂O₃ و LiNbO₃ وNd³⁺ : ( LuₓGd₁₋ₓ ) ₃Ga₅O₁₂ ( Nd :LGGG ) . [ 9 ] غالبًا ما يُستخدم مُشكِّل الإيريديوم .

نمو شريطي أفقي

يُعدّ نمو الشريط الأفقي ( HRG) طريقةً طوّرها ويليام شوكلي وحصل على براءة اختراعها عام 1959 لنمو السيليكون . [ 2 ] [ 3 ] تعتمد هذه الطريقة على سحب صفيحة بلورية رقيقة أفقيًا من أعلى بوتقة. ويجب تجديد مستوى المصهور باستمرار للحفاظ على سطحه عند نفس ارتفاع حافة البوتقة التي تُسحب منها الصفيحة. ومن خلال نفخ غاز تبريد على سطح الصفيحة النامية،  يُمكن تحقيق معدلات نمو عالية جدًا (>400 مم/دقيقة). [ 10 ] وتعتمد هذه الطريقة على طفو البلورة الصلبة على سطح المصهور، وهو ما ينجح لأن كثافة السيليكون الصلب أقل من كثافة السيليكون السائل.

سحب دقيق للأسفل

تعتمد تقنية السحب الدقيق للأسفل ( μ-PD) على فتحة دائرية صغيرة في قاع البوتقة لسحب الألياف البلورية إلى الأسفل. وقد تم إنتاج مئات المواد البلورية المختلفة باستخدام هذه التقنية.

يستخدم نوع مختلف يسمى نمو القطرة المعلقة أو PDG فتحة في قاع البوتقة لإنتاج صفائح بلورية بطريقة مماثلة. [ 5 ]

تقنية ستيبانوف

طُوِّرت تقنية ستيبانوف على يد أ . ف. ستيبانوف في الاتحاد السوفيتي بعد عام 1950. [ 1 ] تتضمن هذه الطريقة سحب البلورة عموديًا عبر مُشكِّل موجود على سطح المصهور. لا يُشترط تغذية المُشكِّل بقناة شعرية كما هو الحال في تقنية EFG. [ 11 ] قد تكون مادة المُشكِّل مُبلَّلة أو غير مُبلَّلة بالمصهور، على عكس تقنية EFG حيث تكون مادة المُشكِّل مُبلَّلة. [ 6 ] استُخدمت هذه التقنية لإنماء بلورات المعادن وأشباه الموصلات والأكاسيد.

تم استخدام تقنية تشوخرالسكي للنمو باستخدام أداة تشكيل عائمة تُعرف باسم "كوراكل" لبعض أشباه الموصلات من النوع III-V قبل تطوير أنظمة تحكم متقدمة للتحكم في القطر. [ 12 ]

شريط خيطي

تُستخدم طريقة الشريط الخيطي ، المعروفة أيضًا باسم الشبكة الشجرية أو السحب المدعوم بالحواف ، لإنماء صفائح أشباه الموصلات، بما في ذلك أنتيمونيد الإنديوم ، وأرسينيد الغاليوم ، والجرمانيوم ، والسيليكون. [ 13 ] تُغمس بلورة بذرة، بعرض وسماكة متطابقين مع الصفيحة المراد إنماؤها، في السطح العلوي للمصهور. تُثبّت خيوط من مادة مناسبة على الحواف الرأسية للبذرة، وتمتد لأسفل عبر ثقوب في قاع البوتقة إلى بكرة. مع رفع البذرة، يُغذّى الخيط باستمرار عبر المصهور، فتتشكل طبقة سائلة بين البذرة والخيوط والمصهور. تتبلور هذه الطبقة على البذرة، مُشكّلةً صفيحة أو شريطًا.

مراجع

  1. 1 2 دوبروفينسكايا، إيلينا ر.، ليونيد أ. ليتفينوف، وفاليريان بيشيك. الياقوت: المادة، التصنيع، التطبيقات. سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا، 2009. ISBN 0387856943
  2. 1 2 داغولو، بارثيف (ديسمبر 2013). "التحليل الحراري الشعري للنمو الشريطي الأفقي للسيليكون الشمسي" (ملف PDF) . جامعة مينيسوتا . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 5 ديسمبر 2021.
  3. 1 2 US 3031275 ، شوكلي، ويليام، "عملية إنماء البلورات الأحادية"، نُشر في 24 أبريل 1962 
  4. ↑ روبيشو، جوزيف ل.؛ هاريس، دانيال س.؛ غودمان، ويليام أ. (2009). "قرن من نمو بلورات الياقوت: أصل طريقة EFG". في روبيشو، جوزيف ل.؛ غودمان، ويليام أ. (محرران). تقنيات المواد والهياكل البصرية IV . المجلد 7425. الصفحات 74250P. doi : 10.1117/12.824452 . ISSN 0277-786X . S2CID 121897942 .    
  5. 1 2 دوفار، تييري (2015). "الخاصية الشعرية وثبات الشكل في نمو البلورات من المصهور". في رودولف، بيتر (محرر). دليل نمو البلورات، المجلد الثاني ب ( الطبعة الثانية). إلسيفير بي في، الصفحات 758-789 . doi : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00019-5 . ISBN   9780444633033.
  6. 1 2 سوريك، ت.؛ كورييل، إس آر؛ تشالمرز، ب. (1980). "نمو البلورات المُشكَّلة من المصهور". مجلة نمو البلورات . 50 (1): 21-32 . Bibcode : 1980JCrGr..50...21S . doi : 10.1016/0022-0248(80)90227-4 . ISSN 0022-0248 . 
  7. ↑ "صفائح الياقوت من الفئة CLASS" . سان غوبان . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 يناير 2018 .
  8. ↑ ماكنتوش، ب؛ سيدل، أ؛ أويليت، م؛ باثي، ب؛ ييتس، د؛ كيليجس، ج (25 يناير 2006). "نمو الأنابيب المجوفة لبلورات السيليكون الكبيرة باستخدام طريقة النمو الموجه بالحواف (EFG)". مجلة نمو البلورات . 287 (2): 428-432 . Bibcode : 2006JCrGr.287..428M . doi : 10.1016/j.jcrysgro.2005.11.058 .
  9. ↑ مو، وينشيانغ؛ جيا، زيتاي؛ ين، يانرو؛ هو، تشيانغ تشيانغ؛ لي، يانغ؛ تاو، شوتانغ (2017). "نمو صفائح بلورية أحادية متجانسة من Nd:LGGG باستخدام طريقة النمو المغذي بالفيلم المحدد الحواف". مجلة نمو البلورات . 478 : 17-21 . Bibcode : 2017JCrGr.478...17M . doi : 10.1016/j.jcrysgro.2017.08.007 . ISSN 0022-0248 . 
  10. ↑ كودو، ب. (1980). "تحسينات في تقنية النمو الشريطي الأفقي لبلورة السيليكون الأحادية". مجلة نمو البلورات . 50 (1): 247-259 . Bibcode : 1980JCrGr..50..247K . doi : 10.1016/0022-0248(80)90248-1 .
  11. ↑ تاتارتشينكو، فيتالي (2010). "نمو البلورات المُشكَّلة: تاريخ موجز لتقنية TPS". في: داناراج، جوفيندهان؛ وآخرون (محررون). دليل سبرينغر لنمو البلورات . سبرينغر. الصفحات 537-541 .  
  12. ↑ وينكلر، يان؛ نيوبيرت، مايكل (2015). "أتمتة نمو البلورات من المصهور". في رودولف، بيتر (محرر). دليل نمو البلورات ( الطبعة الثانية). إلسيفير بي في، ص 1153. doi : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN   9780444633033.
  13. ↑ سيدنستيكر، آر جي؛ هوبكنز، آر إتش (1980). "نمو شريط السيليكون بعملية الشبكة الشجرية". مجلة نمو البلورات . 50 (1): 221-235 . Bibcode : 1980JCrGr..50..221S . doi : 10.1016/0022-0248(80)90246-8 . ISSN 0022-0248 .