Forno de crescimiento de cristal Fornos Bridgman para cristais de alta qualidade

Fornos tubulares de cristalização pelo método Bridgman

BV-HTRV 40-500/18: Forno de crescimento de cristais Bridgman com um comprimento de 500 mm aquecido até 1800°C. O dispositivo de extração é montado acima do forno.

BV-HTRV 70-250/18: Forno de crescimento de cristais Bridgman com comprimento de 250 mm aquecido até 1800°C. O sistema é equipado com um bomba de pré-vácuo.

O forno vertical Bridgman (i.e. BV-HTRV 40-500/18) foi projetado com um tubo de alta temperatura de zona única localizado na parte inferior e o dispositivo de extração montado na parte superior. A estrutura base pode ser utilizada por quase todos os nossos fornos de tubo, então vários comprimentos, diâmetros e temperaturas estão disponíveis. Fornos de zonas variadas estão disponíveis também, permitindo melhor influência no perfil de temperatura.

Um design inverso é igualmente possível. Neste caso, o forno vertical Bridgman (i.e. BV-HTRV 70-250/18) é projetado com um forno tubular de zona única montado na parte superior, e o dispositivo de extração na parte inferior. O tubo é equipado com flanges herméticos, e um eixo refrigerado a água para extrair o material. Todos os movimentos são controlados por meio de um potenciômetro. O controlador de programação especifica a velocidade de extração, e movimentos rápidos são possíveis.
 

Forno de crescimento de cristais pelo método Stockbarger

Sistema de crescimento de cristais para o método Stockbarger. Um forno de cinco zonas construído de grafite cuja taxa de resfriamento é controlada precisamente para crescer cristais.
 

Informação de conhecimento Método Bridgman-Stockbarger

Bridgman-Stockbarger is the most common and widely used method in crystal growth furnaces. The process involves slowly moving a polycrystalline melt, in a crucible or an ampoule, across a stable temperature gradient from a hot zone to a cold zone in the furnace. The crucible containing the melt is rotated whilst translating to create a homogenous temperature profile. The principle behind this technique is based on directional solidification.

A single crystal seed is brought into contact with the melt to ensure single crystal growth is governed along a certain crystallographic orientation. This consequently also provides an interface for growth. As the temperature decreases from the hot zone, the polycrystalline melt solidifies. The seed initiatesthe process until the entire melt converts into a solid single crystal ingot with a uniform composition. The crystals are grown under a slow and directional cooling environment which minimises the likelihood of defects within the structure.

A gradient freezing modification can also be applied in this method using a multiple-zone furnace. This does not require the movement of a crucible or furnace. Instead, the temperature gradient is controlled by changing the heat supply, so the melt-crystal interface is maintained.

Key parameters such as pulling speed and rotation speed are at standard of 0.03-50 mm/h and 1-5 rotation/min, respectively. A display is used to show the absolute position of the crucible/ampoule in the furnace’s length, in comparison to its starting point. The thermal gradient in the Bridgman furnace can be controlled as it plays a vital role in producing highly crystalline and homogenous single crystals.

The method can be implemented in a vertically or horizontally configured Bridgman furnace, depending on the process being done and the type of crystals grown. A melt growth crystallisation technique can be carried out in a vacuum, neutral (nitrogen, helium, argon, etc) or oxidising environment (air, oxygen).

Vantagens

• Produz grandes cristais únicos de alta qualidade
• Cria cristais de diferentes tipos como ferroelétricos, piezoelétricos, óticos e semicondutores.
• O formato e orientação do cristal podem ser modificados mudando parâmetros como taxa de crescimento, velocidade da rotação, gradiente de temperatura e formato do cadinho.

Desvantagens

• Este método não pode ser usado para criar sais hidratados e anidros, ou a maior parte de cristais orgânicos
• É desafiador controlar e garantir a distribuição uniforme de temperatura dentro do forno
• É desafiador garantir a estabilidade mecânica do sistema enquanto o mecanismo de tração funciona suavemente.
• Este método toma muito tempo e custa caro já que demora dias ou até semanas para criar um único cristal
• Equipamento especializado e profissionais treinados são necessários para criar cristais

Aplicação: o Forno Bridgman costumava criar cristais para células fotovoltaicas

Um exemplo dentre a grande gama de aplicações de crescimento de cristais é a produção de cristais únicos de telureto de cádmio (CdTe) utilizando o método Bridgman-Stockbarger. Telureto de cádmio é um material semicondutor que é utilizado para criar junções P-N para sua utilização em aplicações como detectores de radiação, sensores e fotovoltaicos. Na prática, junções PN são formadas entre o cristal único por dopagem. Junções PN de cristais únicos tem uma eficiência maior que seus equivalentes policristalinos e amorfos. Menos defeitos e impurezas são encontrados em cristais únicos, causando menor resistência ao fluxo de elétrons. Defeitos e irregularidades desordenam a distribuição dos átomos no cristal, alterando assim o número e mobilidade dos portadores de carga. 

Analisando a estrutura do cristal

Um cristal pode ser classificado em sete sistemas diferentes. Cada sistema de cristal consiste em um arranjo regular de átomos. Usando uma difração raio-x, é possível determinar a estrutura de um cristal. A principal por atrás desta técnica deriva da lei de Braggs, que descreve a interação de raios-x com a estrutura do cristal.