Perbandingan Beberapa Teknik Pertumbuhan Kristal Safir
Sejak permata sintetis pertama diproduksi dengan metode fusi nyala pada tahun 1902, berbagai teknologi untuk menumbuhkan kristal safir sintetis terus berkembang. Selama bertahun-tahun, lebih dari selusin metode pertumbuhan kristal telah muncul, termasuk fusi nyala, metode Czochralski (CZ), dan metode Kyropoulos (KY), dan lain-lain. Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, dan digunakan di berbagai bidang aplikasi. Saat ini, teknik utama yang terindustrialiasi meliputi metode Kyropoulos, metode Czochralski, metode Pertumbuhan Film-Umpan Tepi (EFG), dan metode Pembekuan Gradien Vertikal Horizontal (VHGF). Bagian berikut akan memperkenalkan teknik pertumbuhan kristal safir yang khas secara lebih rinci.
Metode Fusi Nyala (Proses Verneuil)
Proses Verneuil, juga dikenal sebagai metode Fusi Nyala, dinamai dari ahli kimia Prancis terkenal Auguste Victor Louis Verneuil. Ia dikenal karena menemukan metode pertama yang layak secara komersial untuk mensintesis permata. Pada tahun 1902, ia mengembangkan teknik "fusi nyala", yang masih banyak digunakan hingga saat ini sebagai metode yang terjangkau untuk memproduksi permata sintetis.
Sebagai salah satu metode paling umum untuk memproduksi permata sintetis di pasaran, metode fusi nyala tidak hanya digunakan untuk mensintesis rubi dan safir, tetapi juga berlaku untuk produksi spinel sintetis, rutil sintetis, rubi bintang sintetis dan safir bintang, dan bahkan titanat strontium buatan, dan lain-lain.
Prinsip Kerja
Metode fusi nyala, secara sederhana, memanfaatkan suhu tinggi yang dihasilkan oleh pembakaran hidrogen dan oksigen. Bubuk longgar aluminium oksida (Al₂O₃) diumpankan melalui nyala api oksi-hidrogen. Saat bubuk mentah melewati nyala api, ia langsung meleleh menjadi tetesan kecil, yang kemudian jatuh ke batang benih yang didinginkan, di mana mereka memadat dan membentuk kristal tunggal.
Diagram berikut menunjukkan skema sederhana dari alat pertumbuhan kristal fusi nyala.
Prasyarat utama untuk berhasil mensintesis permata adalah penggunaan bahan mentah yang sangat murni, dengan kemurnian minimal 99,9995%. Untuk mensintesis rubi atau safir, aluminium oksida (Al₂O₃) adalah bahan utama. Upaya biasanya dilakukan untuk mengurangi kandungan natrium, karena pengotor natrium dapat menyebabkan kekeruhan dan mengurangi kejernihan permata. Tergantung pada warna yang diinginkan, sejumlah kecil pengotor oksida yang berbeda dapat ditambahkan. Misalnya, kromium oksida ditambahkan untuk menghasilkan rubi, sedangkan besi oksida atau titanium oksida ditambahkan untuk menghasilkan safir biru. Untuk jenis lain, rutil terbentuk dengan menambahkan titanium dioksida, dan titanat strontium terbentuk dengan menambahkan titanium oksalat. Kristal bernilai lebih rendah lainnya juga dapat dicampur ke dalam bahan awal.
Efisiensi Tinggi dan Biaya Rendah! Metode fusi nyala adalah pendekatan yang sangat efisien dan berbiaya rendah untuk mensintesis permata buatan. Ini dianggap sebagai metode pertumbuhan kristal tercepat di antara semua teknik permata sintetis, yang memungkinkan produksi kristal besar dalam waktu singkat—sekitar 10 gram kristal dapat ditumbuhkan per jam. Ukuran kristal permata berbasis korundum bervariasi, biasanya membentuk kristal berbentuk boule mulai dari 150 hingga 750 karat (1 karat = 0,2 gram), dengan diameter mencapai 17–19 mm.
Dibandingkan dengan peralatan yang digunakan dalam metode permata sintetis lainnya, perangkat fusi nyala adalah yang paling sederhana dalam strukturnya. Hal ini membuat proses fusi nyala sangat cocok untuk produksi skala industri dan memberikan hasil tertinggi di antara semua metode sintetis.
Namun, kristal yang diproduksi dengan metode fusi nyala biasanya menunjukkan garis-garis pertumbuhan melengkung atau pita warna yang menyerupai tekstur rekaman fonograf, serta gelembung seperti manik-manik atau berbentuk kecebong yang khas. Fitur-fitur ini membatasi aplikasinya di bidang seperti optik dan semikonduktor. Oleh karena itu, teknik fusi nyala terutama cocok untuk memproduksi barang dengan diameter yang relatif kecil, seperti perhiasan, komponen jam tangan, dan bantalan instrumen presisi.
Selain itu, karena biayanya yang rendah, kristal safir yang ditumbuhkan dengan metode fusi nyala juga dapat digunakan sebagai benih atau bahan awal untuk metode pertumbuhan kristal berbasis lelehan lainnya.
Metode Kyropoulos (Metode KY)
Metode Kyropoulos, disingkat sebagai metode KY, pertama kali diusulkan oleh Kyropoulos pada tahun 1926 dan awalnya digunakan untuk pertumbuhan kristal halida, hidroksida, dan karbonat yang besar. Untuk waktu yang lama, teknik ini terutama diterapkan pada persiapan dan studi kristal tersebut. Pada tahun 1960-an dan 1970-an, metode ini ditingkatkan oleh ilmuwan Soviet Musatov dan berhasil diadaptasi untuk pertumbuhan kristal tunggal safir. Saat ini, metode ini dianggap sebagai salah satu solusi paling efektif untuk keterbatasan metode Czochralski dalam memproduksi kristal besar.
Kristal yang ditumbuhkan dengan metode Kyropoulos berkualitas tinggi dan relatif murah, membuat teknik ini sangat cocok untuk produksi industri skala besar. Saat ini, sekitar 70% substrat safir yang digunakan secara global untuk aplikasi LED ditumbuhkan menggunakan metode Kyropoulos atau berbagai versi modifikasinya.
Kristal tunggal yang ditumbuhkan dengan metode ini biasanya memiliki penampilan berbentuk buah pir (lihat gambar di bawah), dan diameter kristal dapat mencapai ukuran hanya 10–30 mm lebih kecil dari diameter bagian dalam wadah. Metode Kyropoulos saat ini adalah salah satu teknik paling efektif dan matang untuk menumbuhkan kristal tunggal safir berdiameter besar. Kristal safir berukuran besar telah berhasil diproduksi menggunakan metode ini.
Sebuah laporan berita baru-baru ini menyoroti terobosan di bidang ini:
Pada tanggal 22 Desember, Laboratorium Pertumbuhan Kristal Jing Sheng Crystals, bekerja sama dengan anak perusahaannya Jinghuan Electronics, berhasil memproduksi kristal safir ultra-besar pertama yang beratnya sekitar 700 kg—menandai tonggak inovasi utama.
Proses Pertumbuhan Kristal Kyropoulos
Dalam metode Kyropoulos, bahan mentah pertama-tama dipanaskan hingga titik lelehnya untuk membentuk larutan cair. Benih kristal tunggal (juga dikenal sebagai batang benih kristal) kemudian dibawa bersentuhan dengan permukaan lelehan. Pada antarmuka padat–cair antara benih dan lelehan, kristal tunggal dengan struktur kisi yang sama dengan benih mulai tumbuh. Benih kristal perlahan ditarik ke atas untuk waktu yang singkat untuk membentuk leher kristal.
Setelah laju pemadatan pada antarmuka antara lelehan dan benih menjadi stabil, penarikan berhenti dan benih tidak lagi diputar. Mulai saat ini, kristal terus tumbuh ke bawah dengan secara bertahap mengontrol laju pendinginan, memungkinkan lelehan memadat dari atas ke bawah. Hal ini menghasilkan pembentukan ingot kristal tunggal yang lengkap.
Karakteristik Metode Kyropoulos
Metode Kyropoulos sangat bergantung pada kontrol suhu yang tepat untuk menumbuhkan kristal (kontrol suhu sangat penting!). Perbedaan terbesarnya dari metode Czochralski terletak pada fakta bahwa hanya leher kristal yang ditarik; badan utama kristal tumbuh melalui gradien suhu yang terkontrol, tanpa gangguan tambahan dari penarikan atau pemutaran. Hal ini membuat proses lebih stabil dan mudah dikendalikan.
Saat leher kristal ditarik, daya pemanas disesuaikan dengan hati-hati untuk membawa bahan cair ke rentang suhu optimal untuk pertumbuhan kristal. Ini membantu mencapai laju pertumbuhan yang ideal, yang pada akhirnya menghasilkan kristal tunggal safir berkualitas tinggi dengan integritas struktural yang sangat baik.
Metode Czochralski – Metode CZ
Metode Czochralski, juga dikenal sebagai metode CZ, adalah teknik di mana kristal ditumbuhkan dengan perlahan menarik dan memutar benih kristal dari larutan cair yang terdapat dalam wadah. Metode ini pertama kali ditemukan pada tahun 1916 oleh ahli kimia Polandia Jan Czochralski. Pada tahun 1950-an, Bell Laboratories di Amerika Serikat mengembangkannya untuk menumbuhkan germanium kristal tunggal, dan kemudian diadopsi oleh ilmuwan lain untuk menumbuhkan kristal tunggal semikonduktor seperti silikon, serta kristal tunggal logam dan permata sintetis.
Metode CZ mampu menghasilkan kristal permata penting seperti safir tanpa warna, rubi, yttrium aluminium garnet (YAG), gadolinium gallium garnet (GGG), alexandrite, dan spinel.
Sebagai salah satu teknik terpenting untuk menumbuhkan kristal tunggal dari lelehan, metode Czochralski telah banyak diadopsi, khususnya varian yang melibatkan wadah pemanas induksi. Tergantung pada jenis kristal yang ditumbuhkan, bahan wadah yang digunakan dalam metode CZ dapat berupa iridium, molibdenum, platinum, grafit, atau oksida titik leleh tinggi lainnya. Dari sudut pandang praktis, wadah iridium memperkenalkan kontaminasi paling sedikit ke safir tetapi sangat mahal, yang mengakibatkan biaya produksi yang lebih tinggi. Wadah tungsten dan molibdenum, meskipun lebih terjangkau, cenderung memperkenalkan tingkat kontaminasi yang lebih tinggi.
Proses Pertumbuhan Kristal Metode Czochralski (CZ)
Pertama, bahan mentah dipanaskan hingga titik lelehnya untuk membentuk larutan cair. Benih kristal tunggal kemudian dibawa bersentuhan dengan permukaan lelehan. Karena perbedaan suhu pada antarmuka padat–cair antara benih dan lelehan, pendinginan berlebih terjadi. Akibatnya, lelehan mulai memadat pada permukaan benih dan menumbuhkan kristal tunggal dengan struktur kristal yang sama dengan benih.
Pada saat yang sama, benih kristal perlahan ditarik ke atas dengan kecepatan terkontrol sambil diputar pada laju tertentu. Saat benih secara bertahap ditarik ke atas, larutan cair terus memadat pada antarmuka padat–cair, yang akhirnya membentuk ingot kristal tunggal simetris rotasi.
Keuntungan utama dari metode Czochralski adalah bahwa proses pertumbuhan kristal dapat dengan mudah diamati. Kristal tumbuh di permukaan lelehan tanpa menyentuh wadah, yang secara signifikan mengurangi tegangan kristal dan mencegah nukleasi yang tidak diinginkan pada dinding wadah. Metode ini juga dengan mudah memungkinkan penggunaan benih kristal berorientasi dan teknik “pengecilan”, yang sangat mengurangi kepadatan dislokasi.
Akibatnya, kristal safir yang ditumbuhkan dengan metode CZ menunjukkan integritas struktural yang tinggi, dan laju pertumbuhan serta ukuran kristalnya cukup memuaskan. Secara keseluruhan, kristal safir yang diproduksi dengan metode ini memiliki kepadatan dislokasi yang relatif rendah dan keseragaman optik yang tinggi. Kerugian utamanya adalah biaya yang lebih tinggi dan batasan pada diameter kristal maksimum.
Catatan: Meskipun metode CZ kurang umum digunakan untuk produksi kristal safir komersial, itu adalah teknik pertumbuhan kristal yang paling banyak digunakan dalam industri semikonduktor. Karena dapat menghasilkan kristal berdiameter besar, sekitar 90% ingot silikon kristal tunggal ditumbuhkan dengan metode CZ.
Metode Bentuk Lelehan – Metode EFG
Metode Bentuk Lelehan, juga dikenal sebagai metode Pertumbuhan Film-umpan Tepi (EFG), ditemukan secara independen pada tahun 1960-an oleh Harold LaBelle di Inggris dan Stepanov di Uni Soviet. Metode EFG adalah variasi dari teknik Czochralski dan merupakan teknologi pembentukan hampir-bersih, yang berarti menumbuhkan balok kristal langsung dari lelehan dalam bentuk yang diinginkan.
Metode ini tidak hanya menghilangkan pemesinan mekanis berat yang diperlukan untuk kristal sintetis dalam produksi industri tetapi juga secara efektif menghemat bahan mentah dan mengurangi biaya produksi.
Keuntungan utama dari metode EFG adalah efisiensi materialnya dan kemampuan untuk menumbuhkan kristal dari berbagai bentuk khusus. Namun, mengurangi tingkat cacat tetap menjadi tantangan. Oleh karena itu, lebih umum digunakan untuk menumbuhkan bahan berbentuk atau kompleks. Dengan kemajuan teknologi baru-baru ini, metode EFG juga mulai diterapkan untuk memproduksi substrat untuk epitaksi MOCVD, yang menyumbang pangsa pasar yang terus meningkat.
Metode Pertukaran Panas – Metode HEM
Pada tahun 1969, F. Schmid dan D. Viechnicki menemukan teknik pertumbuhan kristal baru yang dikenal sebagai metode Schmid-Viechnicki. Pada tahun 1972, itu
dinamai kembali Metode Pertukaran Panas (HEM). HEM adalah salah satu metode paling matang untuk menumbuhkan kristal safir berukuran besar dan berkualitas tinggi. Arah pertumbuhan kristal dapat berada di sepanjang sumbu-a, sumbu-m, atau sumbu-r, dengan arah sumbu-a yang paling umum digunakan. Diagram skematik dari prinsipnya ditunjukkan di bawah ini.
Prinsip
Metode Pertukaran Panas menggunakan penukar panas untuk menghilangkan panas, menciptakan gradien suhu vertikal di zona pertumbuhan kristal dengan suhu yang lebih dingin di bagian bawah dan suhu yang lebih panas di bagian atas. Dengan mengontrol aliran gas di dalam penukar panas (biasanya helium) dan menyesuaikan daya pemanas, gradien suhu ini dikelola secara tepat, memungkinkan lelehan di dalam wadah memadat secara bertahap dari bawah ke atas menjadi kristal.
Dibandingkan dengan proses pertumbuhan kristal lainnya, fitur penting dari HEM adalah bahwa antarmuka padat-cair terendam di bawah permukaan lelehan. Dalam kondisi ini, gangguan termal dan mekanis ditekan, menghasilkan gradien suhu yang seragam pada antarmuka, yang mendorong pertumbuhan kristal yang seragam dan memfasilitasi produksi kristal dengan keseragaman kimia yang tinggi. Selain itu, karena anil in-situ adalah bagian dari siklus pemadatan HEM, kepadatan cacat seringkali lebih rendah daripada metode lainnya.
Pesan Anda harus antara 20-3.000 karakter!