Dispositif de cristallisation sans déplacement mécanique

HAL Id: jpa-00242880

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Submitted on 1 Jan 1968

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Dispositif de cristallisation sans déplacement mécanique

M. Adam-Benveniste, P. Bergé, G. Blanc, M. Dubois, C. Laj

To cite this version:

M. Adam-Benveniste, P. Bergé, G. Blanc, M. Dubois, C. Laj. Dispositif de cristallisation sans dé-

placement mécanique. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1968, 3

(4), pp.414-416. �10.1051/rphysap:0196800304041400�. �jpa-00242880�

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DISPOSITIF DE CRISTALLISATION SANS DÉPLACEMENT MÉCANIQUE

Par M. ADAM-BENVENISTE, ^P. BERGÉ, ^G. BLANC, M. DUBOIS et C. LAJ,

Service de Physique ^{du Solide et} de Résonance Magnétique, ^{C.E.N. de} Saclay, ^{B.P. n°} 2, 9I-Gif-sur-Yvette, ^France.

(Reçu ^{le 8} juillet 1968.)

Résumé. 2014 Le dispositif ^décrit permet ^la croissance de monocristaux à partir ^{du sel fondu}

sans aucun déplacement mécanique. ^{Il a} été utilisé pour ^la fabrication de monocristaux purs

ou dopés d’halogénures ^alcalins.

Abstract.

The device described in this paper allows single crystals ^to be grown from the melt without _any mechanical displacement. ^It has been used successfully ^for production

and doping of alkali halide crystals.

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE ^{TOME 3, DÉCEMBRE 1968, PAGE}

Toutes les techniques de fabrication de monocris-

taux sont basées sur le déplacement lent de l’interface

liquide-solide.

Dans les méthodes classiques, ^ce déplacement ^est

obtenu _par des _moyens mécaniques : extraction à

partir ^d’un germe (Kyropoulos), déplacement ^d’un

four à gradient ^{ou d’un creuset} (Bridgman ^Stock- barger, fusion de zone).

Cette réalisation mécanique peut ^{s’avérer délicate} dans le cas de fabrication de monocristaux de taille moyenne ^et nous avons mis au point ^une technique

permettant ^{de s’en} affranchir.

FIG. 1.

Schéma de la répartition ^des températures ^{dans la} tige ^de graphite ^{suivant la} position ^{du four}

1. Creuset à l’extrémité inférieure du four :

dT _ Ta - Tb

2. Creuset ^au milieu du four :

dT dx = ^T.

^Tb’

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196800304041400

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1. Principe ^de l’appareil.

^{Dans notre} montage, le four et le creuset sont immobiles. Le creuset se trouve dans une région ^{de fort} gradient ^de température

obtenu _par pertes thermiques. Initialement la totalité de la charge ^est fondue. La décroissance lente de la

température ^{du four entraîne le} déplacement pro-

gressif de l’isotherme Tl (température de solidification du sel). ^Le creuset est terminé _par une pointe qui ^sert

de _germe de cristallisation.

On obtient ainsi des cristaux de bonne qualité ^de

l’ordre de 30 _g. Le dispositif peut ^{être facilement}

contenu dans une enceinte étanche, ^ce qui permet l’élaboration sous vide ou en atmosphère ^contrôlée.

II. Réalisation de l’appareillage.

^Le paramètre

à ajuster ^{est la vitesse de} cristallisation qui dépend ^de

la vitesse de refroidissement du four et de la valeur du gradient. ^Celui-ci peut ^être ajusté ^{en modifiant la} position relative du creuset par rapport ^{au four} (fig. 1).

Le four vertical a donc été placé ^{dans un} paral- lélépipède métallique qui coulisse dans ^un bâti de cornière ( fig. 2). ^Une poulie ^{et un} contrepoids per- mettent de le déplacer facilement. C’est un four Adamel à régulation ^et à programme, il a une puis-

FIG. 2.

Photographie ^de l’ensemble du montage :

Au centre, ^bâti mobile ; En bas, socle fixe.

sance de 2 200 W et peut ^{atteindre une} température

de 1 200 OC.

Le gradient ^est créé par perte thermique ^{à travers}

une tige ^de graphite nucléaire dont la base est main-

tenue à la température ^ambiante ( fig. 3) ^{et le} sommet,

FIG. 3.

Dispositif expérimental.

évidé _pour contenir le creuset, pénètre plus ^{ou moins} profondément ^{dans le four.}

Pour obtenir des isothermes horizontales, ^le gradient

est imposé ^{au creuset à ses} deux extrémités _par contact avec le logement ^de graphite.

Pour la fabrication des cristaux de fluorure de

lithium, nous avons obtenu les meilleurs résultats ^avec des creusets en platine irradié, ^{ou en} nickel de forme

tronconique ^et d’angle ^{au sommet 900. Il est essentiel}

que les parois ^{du creuset soient} propres ^et que ^sa

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pointe ^soit soigneusement dégagée. ^{Nous avons aban-}

donné le platine pur qui cristallise après quelques cycles thermiques.

Le montage ^de graphite ^{est à} l’intérieur d’un tube

en alumine, ^{fermé à sa} partie supérieure ^et dont l’autre extrémité est collée à un flasque ^{venant se fixer sur}

l’embase en laiton. Un joint torique ^assure l’étanchéité.

Entre la partie inférieure du four et l’embase de

laiton, ^on place ^un calorifuge qui évite les chutes trop brusques ^de température.

La montée en température ^{se fait sous vide} pri- maire, ^ce qui permet d’évacuer les différents _gaz occlus dans la poudre ^de l’halogénure alcalin. Ceci évite d’une part la mauvaise cristallisation due à la formation de bulles de _gaz dans le cristal, ^d’autre part ^la compensation par l’oxygène adsorbé des impu-

retés divalentes positives introduites volontairement.

La cristallisation s’opère ^{sous une} légère surpression

d’hélium purifié ^{et la} présence ^de graphite ^chaud

assure la nature réductrice de l’atmosphère résiduelle.

III. Conditions thermiques ^de croissance des cris- taux.

Dans notre montage, ^le gradient thermique

peut ^être ajusté ^{entre 5} OC/cm ^et 25 °Cfcm, ^ce qui correspond ^{aux deux} positions ^{extrêmes du four.}

Les isothermes idéales sont horizontales. Connais-

sant le gradient ^et la vitesse de décroissance de la

température ^du four, ^{on en} déduit la vitesse de crois-

sance du cristal, c’est-à-dire la vitesse de déplacement

de l’isotherme Tf.

Soit x le plan ^{dont la} température ^est T à ^l’instant to,

au même instant la température ^du plan x ^{+ dx est :}

à l’instant t -f - ^{dt la} température ^du plan x ^{-f - dx}

aura atteint la valeur :

Ce plan cristallisera lorsque ^T

Tf, ^{soit :}

la vitesse de déplacement ^de l’isotherme Tf ^{est donc} pro-

portionnelle ^à la vitesse de décroissance de la tempéra-

ture du four et inversement proportionnelle ^au gradient.

En principe, le cristal est d’autant meilleur _que la vitesse de croissance est plus ^faible. Toutefois, ^{on est}

limité par les fluctuations thermiques ^{du four et par}

la valeur maximum du gradient. ^En effet, ^la tempéra-

ture minimale de la charge ^étant Tf, ^le gradient ^est

limité par la puissance du four. D’autre part, ^{à la loi}

linéaire de la variation de température que ^l’on cher- che à imposer ^{au four se} superposent ^des oscillations dues à la régulation discontinue du four.

Au premier ordre, ^on peut ^{écrire :}

E est l’amplitude des oscillations qui dépend ^en par- ticulier de l’inertie du four et u la fréquence qui dépend ^du système ^de régulation ^{et de l’écart entre la} puissance ^{consommée et la} puissance ^{maximum du four.}

Pour éviter de refondre une portion déjà cristallisée,

on doit conserver :

soit :

Donc le cristal obtenu sera d’autant plus ^beau

que ^{eu sera} petit, ^{soit une} grande ^inertie thermique

et une grande période ^de régulation.

FIG. 4.

Lingot ^{de NaF} clivé suivant le plan (100).

Les conditions les plus favorables _pour la croissance de monocristaux de fluorure de lithium ^sont un

gradient thermique ^de 100C/cm, ^une vitesse de décroissance de la température du four de 30/h. ^On

obtient ainsi un monocristal ^en cinq jours.

Ce dispositif ^{est en service au} laboratoire depuis

1963 [1] ^{et a} été utilisé _{pour la} fabrication de cristaux purs ^ou dopés ^de LiF, NaF, KF, LiCl. Une variante du même principe ^a été utilisée _pour la fabrication de monocristaux métalliques [2].

BIBLIOGRAPHIE

[1] ADAM-BENVENISTE (M.), ^{Thèse 3e} cycle, Paris, ^1963.

[2] ^BIDAUX (R.), ^{Thèse 3e} cycle, ^{Paris, 1964.}