Croissance cristalline de barreaux de saphir par la technique μ-PD
II- 3 Barreaux et fibres de saphir cristallisés par la technique μ-PD
6- Les orientations des barreaux ont été déterminées par la méthode Laue (Figure 14)
Dans le cas de barreaux monocristallins, les orientations sont continuées dans les barreaux avec une bonne précision. Néanmoins, nous avons remarqué qu’un arrêt de la cristallisation avec solidification du ménisque liquide, suivi d’un redémarrage avec réchauffage du ménisque solidifié peut entrainer un changement de l’orientation.
Figure 14: Cliché de Laue montrant la bonne cristallinité d’un monocristal de saphir tiré par la μ-PD. [001] est presque parfaitement incliné dans le plan vertical, à 30,2°. La direction A
la plus proche est [-210] à la complémentaire à 90° de [001], soit 59,8°.
En lumière polarisée, sur quelques barreaux, nous avons observé la présence de grains et des joints de grains, ce qui indique la présence d’autres plans que ceux des germes utilisés au démarrage de la cristallisation. On observe, sur les barreaux après quelques centimètres de
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tirage, des sous-joints qui apparaissent avec des frontières orientées autour du sens du tirage
(Figure 15).
Figure 15: Perte de cristallinité sur quelques barreaux de saphir (I=3mm) et la formation de grains et de joints de grains.
A la différence des cristaux tirés par la méthode Verneuil, ces sous joints n’ont pas de frontières linéaires nettes (Figure 16). Ils peuvent être liés aux gradients thermiques qui se modifieraient après quelques centimètres de tirage, le barreau servant alors de pompe à chaleur.
Figure 16: Sous-joints de grain d’un échantillon de saphir découpé d’un lingot cristallisé par la méthode de Verneuil.
Ces sous-joints ont été signalés par K.S.Bagdasarov comme ayant également une influence sur les dislocations [7]. Sur quelques barreaux, nous avons identifié les plans (1213) (1 2 1 24) et (0001) faiblement inclinés d’une dizaine de degrés. Ce sont des plans qui font
50μm/min 100μm/min
200μm/min 400μm/min grain Joint de grain
grain Joint de grain
Joint de grain Joint de grain grain grain J g
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partie de ceux que l’on peut obtenir si le germe pivote autour de sa direction de croissance (par exemple germe <1 0 -1 0>), (Figure 17). Cette rotation peut apparaitre dans le cas :
** d'un pivotement accidentel du germe à sa mise en place
**d’une désorientation accidentelle du germe pendant la phase de préparation (usinage).
Figure 17: Quelques directions cristallographiques en fonction de la rotation de l’axe c qui sont susceptibles d’être observées lors de la perte de l’orientation du germe.
Lors de la croissance cristalline du saphir, la dégradation de la cristallinité et la formation de joints de grains sont des défauts qui entraînent des faiblesses structurelles et altèrent les performances optiques du cristal. Elles peuvent apparaitre pour différentes raisons. La stabilité du ménisque et la géométrie de l’interface de cristallisations sont des facteurs primordiaux lors de la croissance cristalline par la technique μ-PD. Un tirage stationnaire correspond à une hauteur du ménisque constante durant toute la phase de cristallisation. Le rayon rm au niveau du ménisque est intimement lié au matériau cristallisé au travers de sa tension superficielle et de son angle de croissance \. Dans le cas de la μ-PD, la cristallisation en régime stationnaire consiste à adapter la thermique, la vitesse de tirage pour maintenir la hauteur du ménisque constante aux fluctuations ∆h prés et ne pas varier la géométrie de l’interface de cristallisation. On garantit ainsi des tolérances dimensionnelles de l’ordre du double des variations de la hauteur du ménisque. Plus le capillaire est surchauffé par rapport à la température de fusion du saphir, plus la hauteur du ménisque est importante. Tout l’art est donc de réguler la puissance (température) de sorte que la hauteur du ménisque imposée par la thermique soit stable. La température est mesurée par un pyromètre optique. L’interface étant l’isotherme de fusion, l’approximation linéaire du gradient thermique dans le ménisque
<0001>
Axe de rotation <1 0 1 0>-c
(1 2 1 24) -(1 2 1 3) -(1 2 1 2) -(1 2 1 0)-a
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détermine complètement la surchauffe (TCapillaire – TFusion) nécessaire pour une hauteur du ménisque donnée. Avec un grossissement approprié, le contrôle vidéo permet d’observer la variation ∆h aussi fine que l’on veut. Malheureusement, les corrections manuelles sur la puissance n’ont jamais la réactivité nécessaire pour pallier l’inertie thermique dans la chambre de tirage. Il faut donc un dispositif de contrôle et de régulation automatique. La deuxième machine μ-PD conçue par Cyberstar permet le contrôle par pesée où des variations de puissance corrigent celles du taux de solidification avec succès. La sensibilité de la balance nécessite cependant des variations de section minimales pour que la régulation soit efficace. A travers nos résultats, nous observons que l’équilibre dans le capillaire devient instable aux grandes vitesses de tirage et se manifeste par des variations de diamètre et la propagation de défauts (bulles, contraintes) que nous discuterons dans le prochain chapitre.
III- Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté les résultats de la croissance cristalline de barreaux de saphir et l’impact des paramètres de tirage sur la qualité cristalline. Un ensemble de quelques barreaux cristallisés en régime stationnaire prouve la faisabilité et la reproductibilité technique de cette méthode. Nous nous sommes intéressés à l’influence des conditions de croissance cristalline sur la qualité cristalline des cristaux de saphir encore mal connue, surtout dans le cas de la technique μ-PD. Après la validation des conditions expérimentales et la compréhension des différents phénomènes qui interviennent au cours de la cristallisation, les résultats que nous avons obtenus permettent de définir des régimes de croissance compatibles à la cristallisation de saphir sans défauts macroscopiques. Des expériences de caractérisation microscopiques viendront compléter la connaissance du saphir, en particulier les bulles et les contraintes thermiques qui seront présentés dans le chapitre suivant.
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Références
[1] Societé Cyberstar, http://www.cyberstar.fr/.
[2] H. Jehn, R. Voelker, M.I. Ismail, Iridium Losses During Oxidation., Platin. Met. Rev. 22 (1978) 92‑97.
[3] B. Boutahraoui, A. Nehari, J. Boy, X. Vacheret, M. Allani, H. Cabane, M. Dumortier, M. Derbal, K. Lebbou, LGT ( La3 Ga5.5 Ta0.5 O14 ) langatate bulk crystal grown from the melt by Czochralski technique and characterization, Opt. Mater. (Amst). 65 (2017) 103‑105. doi:10.1016/j.optmat.2016.09.018.
[4] R. Bouaita, G. Alombert-Goget, E.A. Ghezal, A. Nehari, O. Benamara, M. Benchiheub, G. Cagnoli, Y. Kazuhiro, X. Xu, V. Motto-Ros, H. Li, C. Dujardin, K. Lebbou, Seed orientation and pulling rate effects on bubbles and strains distribution on sapphire crystal grown by micro-pulling down method, CrystEngComm. 21 (2019) 4200-4211. doi:10.1039/C9CE00510B.
[5] M. Cherif, Croissance de la céramique eutectique Al2O3-YAG-ZrO3:Y et étude de la microstructure Chinese Script, Universite Grenoble Alpes, 2016.
[6] L. Carroz, Etude et mise en oeuvre d’un procédé de préformage d’un alliage eutectique d’oxydes, Université de Grenoble, 2016. https://www.theses.fr/2016GREAI070.
[7] K.S. Bagdasarov, E.R. Dobrovinskaya, V.V. Pishchik, M.M. Chernick, Y.Y. Kovalev, A.S. Gershun, I.F. Zvyagintseva, Low Dislocation Density Single Crystals of Corundum, Sov. Phys. Crystallog. 18 (1973) 242‑245.
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