1 kW und 2 kW Laser-Ofen zur Erzeugung langer Einkristalle
Unser PartnerQuantum Design

1 kW und 2 kW Laser-Ofen zur Erzeugung langer Einkristalle

von Quantum Design Japan

Der 1 kW und der 2 kW Laser-Ofen für die Einkristall-Herstellung wurde in enger Zusammenarbeit mit dem RIKEN Center for Emergent Matter Science unter der Führung von Yoshio Kaneko entwickelt. Beide Schmelzzonen-Öfen besitzen jeweils 5 Laser, die eine hohe Gleichmäßigkeit der Leistungsdichte in der Schmelzzone garantieren. Das Laserprofil wurde optimiert, um thermische Spannungen während des Kristallwachstumsprozesses zu reduzieren. Das System ferfügt über einen integrierten Temperatursensor zur Echtzeit-Temperaturüberwachung. Es können Temperaturen bis 3000 °C erreicht werden und somit auch Materialien mit einem sehr hohen Dampfdruck, engem Temperaturbereich der Schmelze, mit großem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und mit inkongruenten Schmelzen geschmolzen werden.

Eigenschaften
  • Weiter Temperaturbereich von 500 °C bis 3000 °C
  • Reduktion der thermischen Spannungen durch angepasstes Laserprofil
  • Real-Time Temperatur monitoring
  • Geeignet für ausgasende Materialien
  • Hohe Laserstabilität durch patentiertes Design

Weitere Informationen

Weiter Temperaturbereich von niedrigen bis hohen Schmelztemperaturen
Der Laser-Ofen deckt einen Temperaturbereich ab, für den üblicherweise mehrere Öfen mit Halogen- und Xenonlampen erforderlich sind. 500 °C bis 3000 °C sind erreichbar ohne dass Laserausrichtung oder andere Einstellungen des optischen Systems erforderlich sind.

Laserstrahlprofil
Die Bestrahlungsintensitätsverteilung des Heizlasers ist in Umfangsrichtung gleichmäßig. In Richtung des Kristallwachstums wird eine graduelle Bestrahlungsintensitätsverteilung erzeugt. Die Homogenität in Umfangsrichtung liegt bei über 95% der Bestrahlungsintensität auf der äußeren Oberfläche des Rohmaterials. Die Umfangsgleichmäßigkeit ist im Vergleich zu einem Halogen-Schmelzzonen-Ofen ausgezeichnet. Herkömmlichn Laser-FZ-Öfen besitzen typischerweise ein Stufenprofil. Demgegenüber reduziert das optimierte Laserstrahlprofil die thermischen Beanspruchungen der Kristalle deutlich. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit von Rissbildung durch thermische Spannungen erheblich.

Die Temperatur kann genau und in Echtzeit überwacht werden
Temperaturüberwachung hat eine Punktgenauigkeit von besser als 1,5 mm. Die Temperatur der Schmelzzone kann mit einem integrierten Strahlungsthermometer über den gesamten Temperaturbereich bis 3000 °C direkt überwacht und aufgezeichnet werden. Damit ist hochpräzises Einkristallwachstum möglich. Die Temperatur der Schmelzzone kann in Echtzeit überwacht werden. Dies gewährleistet ein Wachstum bei der angestrebten Temperatur gemäß dem Phasendiagramm des Materials. Bei anderen Systemen gibt es keine andere Wahl, als den fluktuierenden Zustand der Schmelzzone visuell zu beobachten, da eine genaue Temperaturmessung im Schmelzzonenbereich nicht möglich ist. Der Kristallzuchtofen ist ideal für die Kristallherstellung nach dem TSFZ-Verfahren (traveling solvent floating zone), welches eine langfristige, unbeaufsichtigte Temperatursteuerung in einem engen Temperaturbereich erfordert. Die Reproduzierbarkeit der gemessenen Temperatur liegt innerhalb von ± 1 °C. Wenn die optimale Temperatur gefunden ist, kann die Laserleistung mit hervorragender Reproduzierbarkeit auf die gewünschte Temperatur geregelt werden.

Remote Control des Kristallwachstums
Beobachtbares und kontrollierbares Kristallwachstum vom Schreibtisch, zu Hause und von jedem anderen entfernten Standort aus, wird durch die hervorragende und reproduzierbare Temperaturkontrolle erst möglich. Die direkte Beobachtung der Temperatur und des Schmelzbildes der Schmelzzone verbessert die Zuverlässigkeit des Kristallwachstumsprozesses.

Ideal für Materialien mit hoher Volatilität
Da der Bestrahlungspunkt klein ist, ist die Verschmutzung der inneren Oberfläche der Quarzröhre gering, und ein Einkristallwachstum ist sogar für Materialien mit starkem Ausgasen möglich. Es ist möglich, eine Quarzrohrschutzmanschette für die Verdampfungsmaterialien zu installieren, wodurch die Reinigungsarbeit des Quarzrohrs nach dem Gebrauch vereinfacht wird. Es ist nur eine Reinigung dieser Schutzhülle erforderlich.

Sichere Heizstrahlstabilität
Die Verwendung des optischen Systems von RIKEN gewährleistet die Heizstrahlstabiltät. Hierbei wird die Diodenlaserquelle (DL-Quelle) in 5 Laserstrahlen unterteilt. Ein stabiles optisches System sorgt dafür, dass keine Schwankung der 5 erwärmenden Laserstrahlen entstehen. Die Leistung jedes einzelnen Heizstrahls ist über alle 5 Strahlen gleich. Der Laserstrahl ist ein kontinuierlicher Oszillationslaser. Die Bestrahlungsintensität ist über die Zeit sehr stabil.

Die Temperaturschwankungen des Heizlasers werden durch einen einfachen Kühlmechanismus verringert. Da nur ein DL eingesetzt wird, reicht auch ein Kühlsystem aus, um eine hohe Temperaturregelgenauigkeit zu erreichen.

Verwendung von Gasatmosphären
Ein einzelnes Laser-Schmelzzonen-System kann für die Verwendung von Sauerstoff-Atmosphäre und für Sauerstoff-freie Atmosphäre konfiguriert werden.

Spezifikation

Heizungssteuerung

  • 5 Laserstrahlen, die von einem Hochleistungsdiodenlaser erzeugt werden
  • 2000 Watt (400 Watt × 5 Strahlen) Laser-Gesamtleistung in der FZ-Region
  • 500°C ~ 3000°C FZ Temperaturbereich (materialabhängig)
  • Temperaturüberwachung von 900°C bis 3500°C (Strahlungsthermometer)
  • Reproduzierbarkeit der Temperatur: ± 1°C über den gesamten Temperaturbereich

Kristallwachstumskontrolle

  • max. Kristalllänge: 150 mm
  • max. Kristalldurchmesser: 8 mm
  • Wachstumsgeschwindigkeit: 0,01 bis 300 mm (mm/h)
  • Rotationsgeschwindigkeit: 0,1 bis 100 U/min
  • Vakuum/Druck im FZ-Bereich: 1 x 10-4 Torr bis 10 bar
  • FZ-Umgebung: Vom Benutzer bereitgestelltes externes Gas
  • Überwachung des Wachstums: High-Vision-Full-HDTV-Kamera
  • Steuerung: Ubiquitäre Steuerung per PC / Smartphone von Ihrem Schreibtisch / Zuhause aus möglich, um den Kristallwachstumsprozess aus der Ferne zu überwachen

Instrument-Abmessungen

Länge 140 cm x Breite 210 cm x Höhe 200 cm

Anwendungen

Rubin Einkristall, Tm ~ 2072 °C, hochschmelzendes Material
Rubin Einkristall, Tm ~ 2072 °C, hochschmelzendes Material
SmB6 Einkristall, Tm ~ 2345 °C, ein hochschmelzender topologischer Isolator mit hoher Leitfähigkeit
SmB6 Einkristall, Tm ~ 2345 °C, ein hochschmelzender topologischer Isolator mit hoher Leitfähigkeit
Y-typ Ferrit, Ba2Co2Fe12O22 Einkristall, Tm=1440 °C, inkongruentes Materialie mit schmalem Tm-Bereich von ±5 °C
Y-typ Ferrit, Ba2Co2Fe12O22 Einkristall, Tm=1440 °C, inkongruentes Materialie mit schmalem Tm-Bereich von ±5 °C
Traveling solvent Schmelzzonen Material, SrCu2(BO3)2 Einkristall, Wachstumszeit 320 Stunden (14 Tage), Wachstumsgeschwindigkeit 0,25 mm/Stunde
Traveling solvent Schmelzzonen Material, SrCu2(BO3)2 Einkristall, Wachstumszeit 320 Stunden (14 Tage), Wachstumsgeschwindigkeit 0,25 mm/Stunde
Sr2RuO4 Einkristall, Tm ~ 1860 °C, ausgasendes Material
Sr2RuO4 Einkristall, Tm ~ 1860 °C, ausgasendes Material
TbMnO3 Einkristall ohne Risse

TbMnO3 Einkristall ohne Risse, die normalerweise durch thermische Spannungen entstehen können, falls das Temperaturprofil stufenartig verläuft. Der Laser Ofen besitzt ein graduiertes Temperaturprofil.

TbMnO3 Einkristall ohne Risse

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Laser-based floating zone furnace
Laser-based floating zone furnace

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Dr. Tobias Adler
Dr. Tobias Adler

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64293 Darmstadt
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Tobias AdlerProdukt Manager - Kryotechnologie & Materialwissenschaften
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