Croissance cristalline à partir de l état liquide et caractérisation physico-chimique de cristaux pour l optique

Croissance cristalline à partir de l état liquide et caractérisation physico-chimique de cristaux pour l optique Kheirreddine LEBBOU Physico Chimie des Matériaux Luminescents Université Claude Bernard Lyon 1 LPCML, UMR 5620 CNRS lebbou@pcml.univ-lyon1.fr

1- La recherche cristaux au LPCML Activité cristallogenèse Croissance cristalline à partir de l état liquide Formats Fibres, Plaques, Formats carrés, Cylindriques -Optimisation de la matière première -Diagramme de phase -Caractérisation Massifs Cristaux larges φ>20 mm Lasers, Scintillateurs, Supraconducteurs

Maîtrise de la composition (diagramme de phase) Contrôle du dopage (ségrégation) Qualité de la matière première, gaz Qualité du germe (orientation, format ) Simulation et modélisation du procédé État stationnaire de croissance Croissance stable (équilibre) Cristal de bonne qualité Gradient de température Conduction, radiation Un bon équipement de tirage Tête de tirage stable Bon couplage creuset-inducteur (RF) (Procédé) Caractérisation macroscopique et microscopiques (polissage, orientation ) Maîtrise du liquide (turbulence, convection) Contrôle des défauts (dislocations, bulles, joint de grains, fissures )

2- Cristaux massifs Machine de tirage Czochralski (P=50KW) Pesé du cristal et du creuset

3- Procédés de croissance des formats contrôlés µ-pd LHPG Creuset

3-1 Cristaux de formats contrôlés YAG-Yb Bi-2201 LiNbO 3 Bi-2212 SBN SBN

Quelle que soit le procédé État stationnaire Le but: V Croissance constante, S Section du cristal constante dv dt = 0 (1) ds dt = 0 (2) L équilibre de masse: dm l dt dm = s (m l,m s, masse du liquide et du cristal) dt d 2 m s dt 2 = ρs S dv dt +V ds dt = d2 m l dt 2 (3) Tirage (V, S = constant), il est indispensable d avoir les équations (1) et (3) V = constant calibrage de la longueur du cristal, contrôler le niveau du liquide S = constant contrôle du diamètre dml/dt = constant contrôle de la masse et du niveau du liquide dms/dt = constant contrôle du poids du cristal

dxi dt = ƒi (X 1,X 2,..X, n, dx 1, dx 2,., dx n,t,c) 1 dt dt dt i=1,2,,n fi(x 0, 1 X0 2,.X0,t,C)=0 n (2) d ( Xi) dt. δx i = n Σ ƒ i X k δx k k=1 d δx k =X k -X 0 k, δx i =X i -X 0 i, δx i = dt (δx i ) X k =X 0 k, Det ƒ i X k Sδ ik (3) =0 (4) K.lebbou, Advanced Crystal Growth Technology, 2006, Springer Verlag

4- Croissance de fibres cristallines Fusion de zone (LHPG) Goutte pondante (micro-pulling down, µ-pd)

4-1 Principe du tirage des fibres par µ-pd Trois types d interface Liquid Capillaray Melting zone Meniscus L 1- Plane 2- Concave 3- Convexe P=K2πRγL Seed Seed

4-2 Goutte: état stationnaire (un vrai exemple)

Goutte gelée à l extérieur du creuset

Sketch of different shapes of crucibles dies Flat Concave Convex 1 Crucible die 2 3 Meniscus Growing crystal

4-3 Croissance stationnaire (stable) φ trou (300µm) Zone fondue Creuset α Fibre (111) H H=H 0, φ= φ 0 Interface plane R fibre R cap K.Lebbou et al, Journal of Americain Ceramic Society 89 [1] (2006) 75-80

4-4 Problèmes de la croissance des fibres cristallines 1- Problèmes technologiques Fibres fines: difficulté de percer des creusets (Pt, Ir) avec des trous de φ<150µm Problème d écoulement du liquide (viscosité, fluidité)

2- Problèmes de la composition (ségrégation) T Liquide T T Liquide Solide Cs Solide C l Liquide C l Cs k<1 Solide k>1 A pur %B Composé congruent C s =C l, k=1 A pur k= Cs Cl <1 A pur %B %B k= C s C l >1 C s =kc 0 (1-g) k-1 (lois Pfann) 3- Effet de taille (lois de Végard, règle des 15%) r= r a-r b r a <15%

4-6 Exemple de tirage :YAG-Yb 3+ (0.9at%) (Système Y 2 O 3 -Al 2 O 3 ), dopant Yb 2 O 3 Avant connection Connection Amorçage Tirage stationnaire YAG-Yb

4-7 Principaux outils de caractérisations

4-8 Analyse par transmission d un faisceau laser He/Ne à travers la fibre Faisceau He/Ne (633 nm), p=0.95mw sans la fibre Faisceau He/Ne (633 nm), p=0.95mw traversant la fibre YAG-Yb, L=5cm

5 Cristaux de saphir (Al 2 O 3 ) 1- Structure hexagonale-rhomboédrique (a=4.76 Å, c=13å) 2- Fusion congruente (T f =2050 C) 3- Dureté= 9 mohr 4- Cristaux fabriqués par tirage (Czochralski, EFG, HEM, LHPG, µ-pd, Stepanov,Verneuil ) 5-Domaines d application large (thermométrie, électronique, laser, militaire, médical, bijouterie )

5-1 Problèmes du saphir 1- Pureté de la matière première 2- Fusion et gradient de température, 3- Type de gaz, 4- Défauts (dislocations, bulles, fissures, centres colorés) 5- Ségrégation (inhomogénéité des dopants (Ti 3+ ) 6- Orientation du cristal (germe) 7- Difficulté de polissage 8- Recuit

5-2 Tirage du saphir par µ-pd Creuset Germe Tirage par µ-pd (RF) Visualisation du tirage Programme de translation Creuset h Goutte Germe Connection Amorçage du tirage a b c

5-3 Cristaux saphir et saphir-ti

5-4 Caractérisations optiques Transmission (%) de 2 tranches de saphir (ép = 2mm) issues du format carré tiré par µpd (saphir 2) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Banc optique Saphir (L=70cm) Profil Gaussien 10 0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ (nm) Spectre de transmission 80 60 Transmission% 40 20 0 1 2 3 4 5 Echantillons Histogramme de distribution de la transmission des cristaux saphir-titane