Paramètres influençant la croissance

II.1.4.1. Qualité du barreau d’alimentation.

Comme il a été vu précédemment, un barreau polycristallin va alimenter la zone liquide permettant l’élaboration des cristaux. Il est la base de la croissance cristalline par fusion de zone et nécessite une attention particulière.

La composition chimique du barreau d’alimentation doit être parfaitement homogène. En effet, la moindre différence dans la composition chimique implique une évolution de la température de fusion de la zone liquide flottante et de sa composition. Ces modifications se répercutent sur la composition du solide cristallisé qui ne pourrait lui-même plus être homogène.

La forme du barreau d’alimentation peut aussi modifier les conditions opératoires de la croissance cristalline. La meilleure forme géométrique pour un barreau d’alimentation est un cylindre parfait. En effet, en tenant compte de sa rotation, le barreau d’alimentation perçoit alors la même intensité lumineuse en tout point de sa circonférence et n’est pas désaxé, ce qui l’éloignerait de la zone chaude. Le diamètre du barreau d’alimentation doit être adapté au volume de la zone chaude du four à image utilisé.

Si sa densité n’est pas suffisante, il est possible que le liquide remonte par capillarité dans le barreau d’alimentation. Cela entraîne une diminution du volume de la zone liquide. Si le volume de la zone liquide remontant dans le barreau change en cours de croissance, l’état

stationnaire est donc perturbé, et les conditions de croissance sont donc modifiées. Pour empêcher cette remonté de liquide, ou au moins limiter le plus possible sa propagation, le barreau d’alimentation doit présenter une densité élevée.

II.1.4.2. Choix du support.

Le support est une base sur laquelle le solide cristallisé va reposer tout au long de la croissance. Plusieurs choix sont possibles. Une tige d’alumine peut par exemple servir de support. Un autre choix possible consiste à découper une petite partie du barreau d’alimentation pour s’en servir de support.

La Figure 38 montre schématiquement l’évolution de l’état cristallin d’un solide cristallisé ayant été synthétisé au four à image par la méthode de la fusion de la zone solvante. Lorsque la croissance débute, la première étape va être une étape de germination. De nombreux grains vont cristalliser à l’interface entre le support et la zone liquide. Après la formation des grains, certains vont grandir, tandis que d’autres vont disparaître. Il s’agit de l’étape de croissance cristalline. Après un certain temps, seules quelques cristallites, favorisées par les conditions expérimentales, composeront le solide cristallin. Cependant, cela peut demander beaucoup de temps et de matière pour arriver à l’étape monocristalline, où l’une des cristallites aura suffisamment grandi pour être le seul individu présent dans le cristal.

Chapitre II Techniques expérimentales

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Pour favoriser l’apparition d’une phase monocristalline, la solution la plus intéressante consiste à utiliser un germe, c'est-à-dire un monocristal du composé souhaité. Cependant, cela nécessite d’avoir déjà trouvé les conditions opératoires optimales de la croissance (i.e. atmosphère, vitesse de translation, puissance des lampes, composition de la pastille solvante) La phase de germination évoquée précédemment n’est donc plus nécessaire. L’obtention très rapide d’un état stationnaire permet donc au liquide de cristalliser en gardant la qualité cristalline du germe. Le monocristal final pourra alors être très grand. Il est possible de positionner le germe pour qu’il soit déjà orienté selon un axe cristallographique particulier. Une contrainte cristallographique est donc appliquée lors de la croissance, et le cristal final sera orienté de manière préférentielle selon la contrainte imposée par le germe.

II.1.4.3. Le solvant.

Comme expliqué plus haut, dans le cas d’un composé à fusion non congruente, la première phase formée est différente de celle désirée sauf si une pastille de solvant est ajoutée au montage.

Une pastille de solvant est synthétisée de la même manière qu’un barreau d’alimentation. Seules sa taille et sa composition diffèrent. En général, sa taille dépend du volume de la zone chaude, tandis que sa composition va dépendre des systèmes étudiés. Dans le cas du binaire AB de la Figure 37, la composition de la pastille sera x. Elle est positionnée sur le support et amenée à la hauteur des lampes halogènes puis portée à fusion, devenant ainsi la zone liquide.

Même si la réalisation d’une pastille solvante comporte un certain nombre de difficultés pour optimiser sa composition et son volume, l’intérêt de son utilisation apparait dès le début de la croissance. En l’absence de solvant, le barreau d’alimentation est chauffé jusqu’à sa température de fusion Tp(Figure 37.a) pour former une phase liquide qui sera mise en contact du support, puis la température est augmentée jusqu’à atteindre TP’. Une fois la translation entamée, la température est diminuée pour revenir à la température Tp. Dans l’autre cas, ce n’est plus le barreau d’alimentation qui va être chauffé jusqu’à sa température de fusion, mais la pastille de solvant. La fusion d’une pastille de composition x, soit un mélange des solutions solides β et γ, débute à la température eutectique TE et devient totale à la température Tp qui est celle de l’état stationnaire de croissance.

L’utilisation d’une pastille solvante a donc l’avantage d’utiliser des températures plus faibles pour obtenir une zone totalement liquide (Tp < TP’). Le composé synthétisé possède alors la composition souhaitée dès le début de l’expérience, réduisant ainsi le risque d’impureté. En utilisant à la fois une pastille de solvant et un germe, il est donc possible d’élaborer un monocristal d’un composé à fusion non congruente de grande taille.

Pour vérifier la qualité et la pureté des produits obtenus, plusieurs techniques expérimentales ont été utilisées et sont présentées dans les paragraphes suivants.