Zařízení a technologie pro růst krystalů
Atomově drsné roviny jsou roviny, u kterých může neúplné obsazení vést k poklesu volné energie.
Drsnost roviny lze posoudit podle hodnoty kritéria α :
α = nc / n * / KNp
n с – počet možných sousedů v rovině;
n о — koordinační číslo;
L je teplo tání.
Pro malé α a proto pro nízkou entropii tání je možný normální mechanismus.
Pro velké α – vysoké entropie tání, normální mechanismus je nemožný.
Normální růstový mechanismus určuje kulatý tvar rostoucích krystalů. Mechanismus tangenciálního růstu určuje fasetové tvary krystalů.
Rychlost růstu za normálního mechanismu je v = k *Δ T, tzn. slabě, ve srovnání s tangenciálním mechanismem, závisí na ∆T. Vzorec není obecně přijímán.
7. Koncentrační podchlazení, jeho vliv na stabilitu plochého povrchu čela krystalizace. Dendritický růst.
Za rovnovážných podmínek krystalizace slitiny o složení C by měl začít v T L c tvorba krystalů tuhého roztoku α složení k*C a končí při teplotě T S tvorba α krystalů složení C0, těch. složení kapalné fáze by se mělo měnit podle likvidu a složení pevné fáze podle solidu systému. V praxi však difúzní procesy nestihnou vyrovnat koncentraci v celém objemu kapaliny, tím méně krystalů.
Nečistoty (nebo obecně jakékoli složky slitiny) jsou vytlačovány do taveniny a jejich koncentrace v blízkosti čela krystalizace je mnohem vyšší než ve hmotě, protože rychlost krystalizace V je o 2-3 řády vyšší než rychlost difúze.
Před krystalizační frontou je stanovena následující distribuce koncentrace prvku B
kde: V – Rychlost postupu čela krystalizace
D — Difúzní koeficient
X je vzdálenost čela krystalizace
k=C a / C.L — koeficient rozdělení nečistot (v tomto systému K <1)
Toto chemické složení odpovídá teplotě likvidu, pod kterou může dojít ke krystalizaci
Skutečná teplota kapaliny před frontou krystalizace je určena teplotním gradientem G
Vzorec (3) platí pro případ, kdy se teplo odebírá krystalem, např. krystal roste na studené stěně formy a teplota kapaliny v určité vrstvě kapaliny o tloušťce δ roste lineárně zákon jako funkce X.
Teploty na frontě krystalizace TL a Tist jsou si rovni.
Případ 1. Jakýkoli náhodně vytvořený výčnělek na plochém krystalizačním čele spadne do teplotní oblasti nad likvidem a rozpustí se, hranice zůstane plochá.
Případ 2 Stabilní jsou pouze malé výčnělky a vytváří se buněčná struktura.
Případ 3. Výčnělky rostou rychleji než plochý povrch. Vzniká dendritická rozvětvená struktura.
Podmínka pro vznik dendritické struktury G / V mCs (1- k)/ kD
U kovových slitin je nejběžnější krystalový tvar dendritický s kulatým průřezem větví. Anizotropie rychlosti růstu vede k tomu, že dendritické větve rostou ve směrech, z nichž každý je osou pyramidy s plochami vytvořenými z těsně uzavřených rovin.
Tvar primárních krystalů má rozhodující vliv na licí vlastnosti a chování při plastické deformaci za tepla.
Získání malých, nedendritických krystalů kulatého tvaru tedy umožňuje tenkostěnné odlévání s plasticitou δ = 15-20 % namísto 1-3 %. Myšlenka metody: expozice při teplotách mezi T L a T S a aktivní míchání pro eliminaci koncentračního podchlazení a růstové anizotropie v důsledku směrového odvodu tepla. To je technologie Tiksi a nové přelití.
Tvorba malých krystalů a drcení velkých dendritů umožňuje plastickou deformaci za tepla pro výrobu trubek z odlévaných, obvykle křehkých materiálů.
8. Zákonitosti eutektické krystalizace. Samostatný a kombinovaný růst eutektických krystalů. Typy eutektických struktur.
Stavový diagram dvou prvků s úplnou rozpustností složek v kapalném stavu, omezená rozpustnost v tuhém stavu pro případ tvorby eutektických směsí.
ECF linie – linie invariantní rovnováhy Ж C , a E и b F C=K –F +1=0.
Při průchodu této linie při ochlazování u všech slitin obsahujících kapalinu složení C dochází ke stejné přeměně, tzv eutektický
Produkt eutektické přeměny se nazývá eutektický.
K eutektické přeměně dochází samozřejmě při teplotách pod eutektickou linií ECF , ale právě to vede k invariantní rovnováze. Přísně vzato je tedy daná reakce reakcí vedoucí k eutektické invariantní rovnováze. Při zvažování fázových diagramů budeme konvenčně předpokládat, že eutektická reakce probíhá přesně při teplotě ECF linie.
Typ eutektiky je určen povahou nukleace a vzory párového růstu se vzájemným vlivem jedné fáze na růst druhé. Sektorový růst, dendritické růsty a fasetové nebo zaoblené obrysy fází se také nacházejí v eutektických koloniích. Faktory určující tvar krystalů v eutektice jsou stejné jako faktory určující tvar strukturně volných krystalů: krystalochemický faktor,. stupeň podchlazení, směr odvodu tepla atd. Hlavním rozdílem je vliv jedné fáze na vznik a růst druhé.
Na základě povahy nukleace a růstu eutektických krystalů se rozlišují dva případy.
Oddělený růst krystalů různých eutektických fází.
V tomto případě probíhá nukleace a růst eutektických krystalů nezávisle na sobě. Krystaly rostou, dokud se nedotknou a vytvoří strukturu hrubý konglomerát, který pod mikroskopem nemá charakteristický vzhled.
To je pozorováno při velmi nízkých rychlostech ochlazování a u systémů, jejichž krystaly na sebe nemají podpůrný účinek, například: organické krystaly, krystaly s krystalově-chemickou individualizací a přímou meziatomovou vazbou. Zřídka se vyskytuje v kovových systémech.
Párový růst eutektických krystalů.
U krystalů s kovovým typem vazby (nesměrová vazba, přítomnost hustě zabalených rovin) se téměř ve všech případech vyskytují roviny a směry s podobným uspořádáním atomů a k nukleaci některých z nich dochází na površích jiné podle principu heterogenní nukleace.
Krystalizace normálního eutektika vždy začíná krystalizací vedoucí fáze. Řekněme, že toto je fáze α složení bodu d. Vznik α krystalů vede k obohacení kapaliny o složku B na koncentraci bodu a. Vznikají podmínky pro heterogenní krystalovou nukleaci β na křišťálových površích α . Kapalina je obohacena o složku A a tíhne ke složení bodu b. Jsou vytvořeny podmínky pro vznik a růst popř pouze růst krystaly α atd.
Tvar výsledných krystalů nezůstává konstantní. Například lamelová forma se změní na tyčovou formu. Větvení krystalů se zvyšuje s rostoucí rychlostí ochlazování.
V klasickém případě jádro vedoucí fáze iniciuje nukleaci řízené fáze, poté tyto dva krystaly rostou, vzájemně se ovlivňují tvarem a tvoří bikrystalické eutektické zrno.
Bylo prokázáno, že ve většině případů je alespoň vedoucí fáze eutektického zrna monokrystalická, i když izolované částice lze pozorovat pod mikroskopem.
Eutektikum vzniklé během párového růstu jeho jednotlivých krystalů se nazývá normální.
Eutektika: normální, anomální, degenerovaná (rozdělená).
9. Faktory určující strukturu eutektik.
Rychlost ochlazování je nejspíše složením slitiny, tzn. která fáze bude při krystalizaci vést.
10. Sekundární krystalizace. Termodynamické podmínky pro nukleaci sekundárních krystalů. Vliv elastických napětí na tvar sekundárních krystalů.
Většina procesů sekundární krystalizace se řídí zákony primární krystalizace (nukleace a růst krystalů), ale má rysy spojené se skutečností, že procesy probíhají v elastické matrici a při nižších teplotách než primární krystalizace.
FSUE EZAN společně s vědeckými týmy z ústavů RAS vyvíjí a zdokonaluje zařízení, technologie pěstování krystalů a systémy automatického řízení procesů. Vývoj a optimalizace průmyslových technologií pro růst krystalů se provádí na základě globálních holistických numerických modelů růstových procesů a výsledků studia přenosu tepla a hmoty krystalizačních procesů, dynamických charakteristik systémů krystal-tavení. Naši specialisté vytvářejí digitální dvojčata a provádějí virtuální testování vyvinutých produktů.
FSUE EZAN vyrábí zařízení pro pěstování monokrystalů metodou Czochralski, Kyropoulos, pro pěstování profilovaných safírových krystalů ve formě destiček, trubiček, tyčinek atd. Stepanovova metoda (EFG), k získání monokrystalického karbidu křemíku sublimací.
Důležitou výhodou našich zařízení pro pěstování monokrystalů metodami Czochralski a Stepanov je adaptivní systém řízení procesu růstu. Jednotky jsou vybaveny adaptivním jednotným regulátorem, programovatelně přepínaným na příslušnou metodu pěstování. Proces růstu je řízen pomocí Czochralského metody pomocí laditelného PID regulátoru, přičemž koeficienty jsou automaticky vypočítávány během procesu růstu. V závislosti na rostlém materiálu, charakteristice tepelné jednotky a dalších parametrech dochází k optimálnímu samonastavení PID regulátoru. Tato možnost urychluje vývoj technologií růstu nových materiálů a je důležitá jak pro výzkum, tak pro výrobu krystalů.
Automatický růst profilovaných krystalů se provádí pomocí společné činnosti reléového regulátoru a korektorového prediktoru, jejichž nastavení se také provádí automaticky během procesu růstu. Tento systém byl úspěšně použit při skupinovém pěstování 24 safírových waferů určených k výrobě ochranných clon pro chytré telefony. Zařízení pro pěstování monokrystalů metodou Stepanov jsou vybaveny automatickým očkovacím systémem.
V současnosti jsme lídrem v technologii pěstování profilovaných safírových monokrystalů. Naše instalace NIKA-Profile umožňuje současně pěstovat 24 vysoce kvalitních safírových destiček o šířce 90 mm a délce 800 mm pomocí Stepanovovy metody (EFG). Neustále zdokonalujeme technologie a vybavení, díky čemuž jsme dosáhli výrazného zlevnění našich standardních safírových produktů – obrazovek smartphonů, okének skenerů, skel hodinek atd.
Zařízení pro pěstování monokrystalů metodou Kyropoulos je také vybaveno unikátním systémem pro automatické řízení procesu růstu pomocí patentovaného přesného systému pro řízení rostoucí hmoty krystalu. FSUE EZAN má značné zkušenosti s dodávkami zařízení a technologií pro pěstování safírových monokrystalů metodou Kyropoulos, pro výrobu profilovaných safírových krystalů metodou Stepanov, pro pěstování laserových krystalů metodou Czochralski, jak do ruských podniků, tak do společností v Jižní Koreji , Tchaj-wan, Čína a Švýcarsko, Itálie, Turecko atd.
Našim zákazníkům nabízíme nejen sériově vyráběná zařízení. Naše kompetence nám umožňují rychle vyvíjet a vyrábět upravená nebo specializovaná (customizovaná) růstová zařízení v souladu s konkrétními úkoly našich zákazníků a partnerů.