Forno per crescita cristalli Forni Bridgman per cristalli di alta qualità

Bridgman method crystal growing tube furnaces

BV-HTRV 40-500/18: forno per la crescita di cristalli Bridgman con una lunghezza riscaldata di 500 mm fino a 1800°C. Il dispositivo di estrazione è montato sopra il forno.

BV-HTRV 70-250/18: forno Bridgman per la crescita di cristalli con una lunghezza riscaldata di 250 mm fino a 1800°C. Il sistema è dotato di una pompa di pre-vuoto.

Il forno verticale Bridgman (BV-HTRV 40-500/18) è progettato con un forno tubolare ad alta temperatura a singola zona montato nella parte inferiore e il dispositivo di estrazione montato nella parte superiore. Il telaio di base può essere utilizzato con quasi tutti i nostri forni tubolari, per cui sono disponibili molte lunghezze, diametri e temperature diverse. Sono disponibili anche forni Bridgman multizona, che consentono di influenzare meglio il profilo della temperatura.

È possibile anche una progettazione inversa. In questo caso, il forno Bridgman verticale (cioè BV-HTRV 70-250/18) è progettato con un forno tubolare a zona singola montato in alto e il dispositivo di estrazione montato sotto. Il tubo è dotato di flange a tenuta di vuoto e di un albero raffreddato ad acqua per l'estrazione. Tutti i movimenti sono controllati da un potenziometro. Il controllore di programmazione specifica la velocità di trazione e consente di effettuare movimenti rapidi.
 

Forno per la crescita dei cristalli con metodo Stockbarger

Sistema di crescita dei cristalli per il metodo Stockbarger. Un forno a cinque zone costruito in grafite la cui velocità di raffreddamento è controllata con precisione per la crescita dei cristalli.
 

Contesto informativo Metodo Bridgman-Stockbarger

Il metodo Bridgman-Stockbarger è il più comune e diffuso nei forni per la crescita dei cristalli. Il processo consiste nel muovere lentamente una colata policristallina, in un crogiolo o in un'ampolla, attraverso un gradiente di temperatura stabile da una zona calda a una zona fredda del forno. Il crogiolo contenente la massa fusa viene fatto ruotare durante la traslazione per creare un profilo di temperatura omogeneo. Il principio alla base di questa tecnica si basa sulla solidificazione direzionale.

Un seme di cristallo viene portato a contatto con la colata per garantire che la crescita del singolo cristallo sia governata lungo un determinato orientamento cristallografico. In questo modo si ottiene anche un'interfaccia per la crescita. Man mano che la temperatura diminuisce dalla zona calda, la massa fusa policristallina si solidifica. Il seme avvia il processo fino a quando l'intera colata si converte in un lingotto solido di un singolo cristallo con una composizione uniforme. La crescita dei cristalli avviene in un ambiente di raffreddamento lento e direzionale che riduce al minimo la probabilità di difetti nella struttura.

In questo metodo è possibile applicare una modifica del congelamento a gradiente utilizzando un forno a zone multiple. Ciò non richiede lo spostamento di un crogiolo o di un forno. Il gradiente di temperatura viene invece controllato modificando l'apporto di calore, in modo da mantenere l'interfaccia fusione-cristallo.

I parametri chiave, come la velocità di estrazione e la velocità di rotazione, sono rispettivamente di 0,03-50 mm/h e 1-5 giri/min. Un display mostra la posizione assoluta del crogiolo/ampolla nella lunghezza del forno, rispetto al punto di partenza. Il gradiente termico nel forno Bridgman può essere controllato in quanto svolge un ruolo fondamentale nella produzione di cristalli singoli altamente cristallini e omogenei.

Il metodo può essere implementato in un forno Bridgman configurato verticalmente o orizzontalmente, a seconda del processo in corso e del tipo di cristalli. La tecnica di cristallizzazione a crescita fusa può essere eseguita in vuoto, neutro (azoto, elio, argon, ecc.) o in ambiente ossidante (aria, ossigeno).

Vantaggi

• Produce cristalli singoli di elevata qualità e di grandi dimensioni.
• Cresce diversi cristalli come quelli ferroelettrici, piezoelettrici, ottici e semiconduttori.
• La forma e l'orientamento dei cristalli possono essere modificati cambiando parametri come il tasso di crescita, la velocità di rotazione, il gradiente di temperatura e la forma del crogiolo.

Svantaggi

• Questo metodo non può essere utilizzato per la crescita di sali idrati e anidri e la maggior parte dei cristalli organici.
• È difficile controllare e garantire una distribuzione uniforme della temperatura all'interno del forno.
• È difficile garantire la stabilità meccanica del sistema mentre il meccanismo di trazione funziona senza problemi.
• Questo metodo è dispendioso in termini di tempo e denaro in quanto per la crescita di un singolo cristallo possono essere necessari giorni o settimane.
• Per la crescita dei cristalli sono necessarie attrezzature specializzate e personale qualificate.

Applicazione: Forno Bridgman utilizzato per la crescita di cristalli per celle fotovoltaiche

Un esempio dell'ampia gamma applicativa della crescita dei cristalli è la produzione di cristalli singoli di tellururo di cadmio (CdTe) con il metodo Bridgman-Stockbarger. Il tellururo di cadmio è un materiale semiconduttore che viene impiegato per creare giunzioni P-N da utilizzare in applicazioni quali rivelatori di radiazioni, sensori e fotovoltaico.

In pratica, le giunzioni PN si formano all'interno del cristallo singolo mediante drogaggio. Le giunzioni P-N a cristallo singolo hanno un'efficienza superiore rispetto alle controparti policristalline e amorfe. Nei cristalli singoli si trovano meno difetti e impurità che causano una minore resistenza al flusso di elettroni. I difetti e le irregolarità alterano la disposizione degli atomi nel cristallo, modificando il numero e la mobilità dei portatori di carica.

Analisi della struttura cristallina

Un cristallo può essere classificato in sette diversi sistemi cristallini. Ogni sistema cristallino è costituito da una serie regolare di atomi. Utilizzando la diffrazione dei raggi X, è possibile determinare la struttura di un cristallo. Il principio alla base di questa tecnica deriva dalla legge di Braggs, che descrive l'interazione dei raggi X con la struttura del cristallo.