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Crecimiento del pedestal calentado por láser

El crecimiento por pedestal calentado por láser ( LHPG ) o zona flotante por láser ( LFZ ) es una técnica de crecimiento de cristales . Una región estrecha de un cristal se funde con un potente láser de CO2 o YAG. El láser y, por lo tanto, la zona flotante , se mueven a lo largo del cristal. La región fundida funde el sólido impuro en su borde delantero y deja una estela de material más puro solidificado detrás de él. Esta técnica para hacer crecer cristales a partir de la masa fundida ( transición de fase líquido/sólido ) se utiliza en la investigación de materiales. [1] [2]

Ventajas

Las principales ventajas de esta técnica son las altas tasas de tracción (60 veces mayores que la técnica convencional de Czochralski ) y la posibilidad de cultivar materiales con puntos de fusión muy altos. [3] [4] [5] Además, LHPG es una técnica sin crisol , lo que permite cultivar monocristales con alta pureza y bajo estrés.

La forma geométrica de los cristales (la técnica puede producir diámetros pequeños) y el bajo costo de producción hacen que las fibras monocristalinas (SCF) producidas por LHPG sean sustitutos adecuados de los cristales a granel en muchos dispositivos, especialmente aquellos que utilizan materiales con alto punto de fusión . [6] [7] Sin embargo, las fibras monocristalinas deben tener cualidades ópticas y estructurales iguales o superiores en comparación con los cristales a granel para poder sustituirlos en dispositivos tecnológicos. Esto se puede lograr controlando cuidadosamente las condiciones de crecimiento. [8] [9] [10]

Elementos ópticos

Esquema de un sistema LFZ

Hasta 1980, el crecimiento de cristales mediante calentamiento por láser utilizaba únicamente dos haces láser enfocados sobre el material de origen. [11] Esta condición generaba un gradiente térmico radial elevado en la zona fundida, lo que hacía que el proceso fuera inestable. Aumentar el número de haces a cuatro no resolvió el problema, aunque mejoró el proceso de crecimiento. [12]

Fejer et al. [13] realizaron una mejora en la técnica de crecimiento de cristales calentados por láser , quienes incorporaron un componente óptico especial conocido como reflaxicon , que consiste en un cono interno rodeado por una sección de cono coaxial más grande, ambos con superficies reflectantes. Este elemento óptico convierte el haz láser cilíndrico en una superficie cilíndrica hueca de mayor diámetro. [14] Este componente óptico permite la distribución radial de la energía del láser sobre la zona fundida, reduciendo los gradientes térmicos radiales. El gradiente de temperatura axial en esta técnica puede llegar hasta 10000 °C/cm, lo cual es muy alto en comparación con las técnicas tradicionales de crecimiento de cristales (10–100 °C/cm).

Velocidad de convección

Una característica de la técnica LHPG es su alta velocidad de convección en la fase líquida debido a la convección de Marangoni . [15] [16] Es posible ver que gira muy rápido. Incluso cuando parece estar quieto, de hecho está girando rápidamente sobre su eje.

Véase también

Referencias

  1. ^ Feigelson, RS (1985). "Crecimiento de cristales de fibra". En Kaldis, E (ed.). Crecimiento de cristales de materiales electrónicos . p. 127. ISBN  978-0-444-86919-7.
  2. ^ Andreeta, MRB; Hernandes, AC (2010). "Crecimiento de fibras de óxido mediante pedestal calentado por láser". En Dhanaraj, G.; Byrappa, K.; Prasad, V.; Dudley, M. (eds.). Springer Handbook of Crystal Growth . pág. 393. ISBN  978-3-540-74182-4.
  3. ^ Ardila, DR; Andreeta, MRB; Cuffini, SL; et al. (1997). "Crecimiento por pedestal calentado por láser de fibras monocristalinas de Sr2RuO4 a partir de SrRuO3 " . Journal of Crystal Growth . 177 (1–2): 52–56. Bibcode :1997JCrGr.177...52A. doi :10.1016/S0022-0248(96)00904-9.
  4. ^ De Camargo, ASS; Nunes, LAO; Andreeta, MRB; et al. (2002). "Propiedades de infrarrojo cercano y de conversión ascendente de fibras monocristalinas RE 0.8 La 0.2 VO 4 (RE = Y, Gd) dopadas con neodimio cultivadas mediante la técnica de crecimiento de pedestal calentado por láser". Journal of Physics: Condensed Matter . 14 (50): 13889–13897. Bibcode :2002JPCM...1413889D. doi :10.1088/0953-8984/14/50/314. S2CID  250907003.
  5. ^ De Vicente, FS; Hernandes, AC; De Castro, AC; et al. (1999). "Espectro de fotoluminiscencia de fibra de zirconia dopada con tierras raras y dependencia de la potencia de excitación". Efectos de la radiación y defectos en sólidos . 149 (1–4): 153–157. Bibcode :1999REDS..149..153D. doi :10.1080/10420159908230149.
  6. ^ De Camargo, ASS; Andreeta, MRB; Hernandes, AC; et al. (2006). "Emisión de 1,8 µm y absorción en estado excitado en fibras monocristalinas Gd 0,8 La 0,2 VO 4 :Tm 3+ cultivadas en LHPG para láseres en miniatura". Materiales ópticos . 28 (5): 551–555. Código Bibliográfico :2006OptMa..28..551D. doi :10.1016/j.optmat.2005.07.002.
  7. ^ Romero, JJ; Montoya, E.; Bausa, LE; et al. (2004). "Acción láser de longitud de onda múltiple de monocristales de Nd 3+ :YAlO 3 cultivados mediante el método de crecimiento con pedestal calentado por láser". Materiales ópticos . 24 (4): 643–650. Código Bibliográfico :2004OptMa..24..643R. doi :10.1016/S0925-3467(03)00179-4. S2CID  95249182.
  8. ^ Prokofiev, VV; Andreeta, JP; Delima, CJ; et al. (1995). "Microestructura de fibras de sillenita monocristalina". Efectos de la radiación y defectos en sólidos . 134 (1–4): 209–211. Bibcode :1995REDS..134..209P. doi :10.1080/10420159508227216.
  9. ^ Prokofiev, VV; Andreeta, JP; Delima, CJ; et al. (1995). "La influencia de los gradientes de temperatura en la perfección estructural de fibras de sillenita monocristalina cultivadas mediante el método LHPG". Materiales ópticos . 4 (4): 521–527. Bibcode :1995OptMa...4..521P. doi :10.1016/0925-3467(94)00123-5.
  10. ^ Andreeta, MRB; Andreeta, ERM; Hernandes, AC; et al. (2002). "Control del gradiente térmico en la interfaz sólido-líquido en la técnica de crecimiento por pedestal calentado por láser". Journal of Crystal Growth . 234 (4): 759–761. Bibcode :2002JCrGr.234..759A. doi :10.1016/S0022-0248(01)01736-5.
  11. ^ Burrus, CA; Stone, J. (1975). "Dispositivos ópticos de fibra monocristalina: un láser de fibra Nd:YAG". Applied Physics Letters . 26 (6): 318. Código Bibliográfico :1975ApPhL..26..318B. doi :10.1063/1.88172.
  12. ^ Haggerty, JS (1972). "Producción de fibras mediante una técnica de estirado de fibras en zona flotante, Informe final". NASA-CR-120948. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  13. ^ Fejer, MM; Byer, RL; Feigelson R.; Kway W. (1982). "Crecimiento y caracterización de fibras de óxido refractario monocristalino". Actas del SPIE, Avances en fibras infrarrojas II . Vol. 320. Bellingham, WA: SPIE . pág. 50. ISBN.  978-0-89252-355-9.
  14. ^ Edmonds, WR (1973). "El reflaxicon: un nuevo elemento óptico reflectante y algunas aplicaciones". Applied Optics . 12 (8): 1940–5. Bibcode :1973ApOpt..12.1940E. doi :10.1364/AO.12.001940. PMID  20125635.
  15. ^ Liu, M.; Chen, JC; Chiang, CH; Hu, LJ; Lin, SP (2006). "Fibras de cristal de zafiro dopadas con Mg cultivadas mediante el método de crecimiento de pedestal calentado por láser". Revista japonesa de física aplicada . 45 (1A): 194–199. Código Bibliográfico :2006JaJAP..45..194L. doi :10.1143/JJAP.45.194. S2CID  120615103.
  16. ^ El vídeo que se presenta en la siguiente referencia muestra la convección en fase líquida durante el estirado de fibras de niobato de litio (LiNbO 3 ) utilizando un trozo muy pequeño de alambre de platino dentro del líquido que se deja girar. "Convección en la técnica de crecimiento de pedestal calentado por láser". YouTube . 23 de julio de 2008.