El método de Kyropoulos , o técnica de Kyropoulos , es un método de crecimiento de cristales a granel utilizado para obtener monocristales . Lleva el nombre de Spyro Kyropoulos , quien propuso la técnica en 1926 como un método para cultivar cristales frágiles de haluros alcalinos y metales alcalinotérreos para la óptica de precisión. [1] [2]
La mayor aplicación del método Kyropoulos es cultivar bolas grandes de zafiro monocristalino que se utilizan para producir sustratos para la fabricación de LED a base de nitruro de galio y como material óptico duradero. [3]
Historia
El método (a menudo denominado método KY) se propuso en 1926 como continuación de los métodos de Czochralski y Verneuil debido a sus limitaciones dimensionales básicas de los cristales crecidos. [4] Inicialmente se usó para cultivar monocristales de haluros de metales alcalinos . [5] El proceso de cristalización directa del material fundido difería al disminuir la temperatura de la bola mientras aún estaba en el crisol. En comparación con otras, la técnica permitió producir monocristales muy grandes que estaban libres de grietas y daños debido a la contención restringida. [4]
Solicitud
Actualmente es utilizado por varias empresas de todo el mundo para producir zafiro para las industrias de la electrónica y la óptica. [6]
El método
El óxido de aluminio de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) se funde en un crisol a más de 2100 ° C. Normalmente, el crisol está hecho de tungsteno o molibdeno . Un cristal semilla orientado con precisión se sumerge en la alúmina fundida. El cristal semilla se tira lentamente hacia arriba y se puede girar simultáneamente. Controlando con precisión los gradientes de temperatura, la velocidad de tracción y la velocidad de disminución de la temperatura, es posible producir un lingote grande, monocristalino y aproximadamente cilíndrico a partir de la masa fundida. A diferencia del método de Czochralski, la técnica de Kyropoulos cristaliza todo el volumen de materia prima en la bola. El tamaño y la relación de aspecto del crisol son cercanos a los del cristal final, y el cristal crece hacia abajo en el crisol, en lugar de ser tirado hacia arriba y fuera del crisol como en el método de Czochralski. El tirón hacia arriba de la semilla es a un ritmo mucho más lento que el crecimiento hacia abajo del cristal y sirve principalmente para dar forma al menisco de la interfaz sólido-líquido a través de la tensión superficial . La tasa de crecimiento se controla disminuyendo lentamente la temperatura del horno hasta que se solidifique toda la masa fundida. Colgar la semilla de un sensor de peso puede proporcionar retroalimentación para determinar la tasa de crecimiento, aunque las mediciones precisas se complican por la forma cambiante e imperfecta del diámetro del cristal, la forma convexa desconocida de la interfaz sólido-líquido y la interacción de estas características con la flotabilidad. fuerzas y convección dentro de la masa fundida. [7] El método Kyropoulos se caracteriza por gradientes de temperatura más pequeños en el frente de cristalización que el método Czochralski. Al igual que el método de Czochralski, el cristal crece libre de cualquier fuerza de conformación mecánica externa y, por lo tanto, tiene pocos defectos de celosía y baja tensión interna . [3] Este proceso se puede realizar en una atmósfera inerte , como argón , o bajo alto vacío .
Ventajas
Las principales ventajas incluyen la simplicidad técnica del proceso y la posibilidad de hacer crecer cristales con tamaños grandes (≥30 cm). [5] [8] El método también muestra una baja densidad de dislocaciones. [9]
Tamaños de cristal
Los tamaños de los cristales de zafiro cultivados por el método Kyropoulos han aumentado drásticamente desde la década de 1980. A mediados de la década de 2000, se desarrollaron cristales de zafiro de hasta 30 kg que podían producir sustratos de 150 mm de diámetro. Para 2017, el zafiro más grande reportado cultivado por el método Kyropoulos era de 350 kg y podía producir sustratos de 300 mm de diámetro. [10] Debido a la estructura cristalina anisotrópica del zafiro , la orientación del eje cilíndrico de las bolas crecidas por el método Kyropoulos es perpendicular a la orientación requerida para la deposición de GaN en los sustratos LED. [ cita requerida ] Esto significa que los núcleos deben perforarse a través de los lados de la bola antes de cortarse en obleas . Esto significa que las bolas recién desarrolladas tienen un diámetro significativamente mayor que las obleas resultantes. A partir de 2017, los principales fabricantes de LED azules y blancos utilizan sustratos de zafiro de 150 mm de diámetro, y algunos fabricantes siguen utilizando sustratos de 100 mm y 2 pulgadas.
Desventajas
La desventaja más significativa del método es una velocidad de crecimiento inestable que ocurre debido a los cambios de intercambio de calor incurridos por un tamaño de bola creciente y que son difíciles de predecir. Debido a este problema, los cristales se cultivan típicamente a una velocidad muy lenta para evitar defectos internos innecesarios. [5] [8]
Ver también
- Método de Bridgman-Stockbarger
- Silicio monocristalino
- Silicio de zona flotante
- Crecimiento de pedestal calentado por láser
- Micro-tirando hacia abajo
Referencias
- ^ "Evolución y aplicación del método de crecimiento de cristales de Kyropoulos", David F. Bliss, en "50 años de progreso en el crecimiento de cristales: una colección de reimpresión", Ed. Robert Feigelson, Elsevier, 2005 ISBN 0080489931
- ^ Kyropoulos, S. (1926). "Ein Verfahren zur Herstellung großer Kristalle". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (en alemán). 154 : 308–313. doi : 10.1002 / zaac.19261540129 .
- ↑ a b Dobrovinskaya, Elena R., Leonid A. Lytvynov y Valerian Pishchik. Zafiro: material, fabricación, aplicaciones. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
- ^ a b "Crecimiento" . claramente zafiro . Consultado el 29 de abril de 2019 .
- ^ a b c "МЕТОД КИРОПУЛОСА" [método Kyropoulos]. mathscinet.ru . Consultado el 29 de abril de 2019 .
- ^ "Estado de la industria del zafiro". Eric Virey. Foro Yole-CIOE Sapphire, Shenzhen, 31 de agosto de 2015. Desarrollo de Yole. pag. 32.
- ^ Winkler, Jan; Neubert, Michael (2015). "Automatización del crecimiento de cristal de fusión". En Rudolph, Peter (ed.). Manual de crecimiento de cristales (2ª ed.). Elsevier BV págs. 1176-1178. doi : 10.1016 / B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033.
- ^ a b Синтез регуляторов простой структуры для управления процессами кристаллизации (PDF) . Járkov, Ucrania: Вісник національного технічного университету "ХПІ" №15 (1058). 2014. págs. 3-11.
- ^ Duffar, Thierry; Sen, Gourav; Stelian, Carmen; Baruchel, José; Tran Caliste, Thu Nhi; Barthalay, Nicolás. Presentación de crecimiento de cristales de Kyropoulos (PDF) (pdf). Francia: Instituto de Tecnología de Grenoble . pag. 4.
- ^ "El monocristal presentó el primer cristal de zafiro KY de 350 kg del mundo" (PDF) . Monocristal . Consultado el 16 de enero de 2018 .
enlaces externos
- Resúmenes de la técnica de crecimiento de cristales