بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی تاثیر گرادیان دمایی در طول بوته بر رشد تک بلورهای - KTP - KTiOPO4 به روش هسته سازی خود بخودی از فلاکس - شار - KPb2 - PO3 - 5.2K2O پرداختیم. با بررسی نتایج حاصله از شبیه سازی کامپیوتری وضعیت شار درون بوته در دمای رشد با گرادیان دمایی و رشد تک بلورهای KTP و سپس انجام آنالیز شیمیایی - - ICP و آنالیز طیف سنجی نور مرئی - - UV-VIS بر روی بلور های رشد داده شده به این نتیجه رسیدیم که بهترین گرادیان دمایی برای رشد بلورهایی با کیفیت و اندازه مناسب 3-4 درجه سانتی گراد می باشد.
مقدمه
پتاسیم تیتانیل فسفات با فرمول شیمیایی KTiOPO4 که به اختصار KTP شناخته میشود، یک بلور نوری غیر خطی است که به خاطر داشتن ضریب نوری غیرخطی بالا، ناحیه وسیع عبوردهی، پایداری حرارتی بالا و آستانه آسیب نوری بالا [1] به طور گسترده در صنایع الکترواپتیکی به عنوان دو برابر کننده بسامد لیزرهای
Nd:YAG با طول موج 1064nmو سوئیچهای Q به کار میرود.
بلورهای KTP قبل از رسیدن به دمای ذوب - دمای 1172℃ در هوا و 1158℃ در آرگون - تجزیه میگردند، بنابراین نمیتوان این بلورها را با استفاده از روش رشد از مذاب رشد داد. دو روش اصلی برای رشد بلورهای KTP وجود دارد: روش هیدروترمال و دیگری روش فلاکس.
بدلیل پیچیده بودن تجهیزات آزمایشگاهی، کوچک بودن اندازه بلورهای رشد یافته و وارد شدن یونهای OH- به ساختار بلور در روش هیدروترمال، امروزه بیشتر از روش فلاکس برای رشد بلورهای KTP استفاده میشود. برای رشد بلور به روش فلاکس نسبت به روش هیدروترمال به تجهیزات سادهتری نیاز داریم.
همچنین کنترل آلایندههای در روش دوم سادهتر بوده و اندازه بلورهای رشد یافته در روش فلاکس نسبت به روش هیدروترمال بزرگتر و این بلورها از شفافیت بالاتری برخوردار می باشند.
در این پژوهش از فلاکسKPb2 - PO3 - 5.2K2O برای رشد تک بلورهای KTP به روش هسته سازی خودبخودی استفاده کردیم زیرا حلالیت این فلاکس از سایر فلاکس های متداول، بیشتر - شکل - 1 4]،[3و نیز میزان فراریت آن کمتر از سایر فلاکس ها - شکل - 2 می باشد. روابط شمیمایی حاکم بر این فلاکس برای رشد بلور KTP به صورت زیر است:
گرادیان دمایی در طول بوته یکی از موارد مهم که در رشد از محلول در دمای بالا - فلاکس - باید به آن توجه کرد ایجاد جریان های پایدار درون بوته در حین فرایند رشد می باشد. پدیدههای همرفت و انتقال از جمله مهمترین
پدیده هایی هستند که در فرایند رشد خودبخودی درون بوته موثر هستند. همرفت باعث ایجاد شارش در محلول میگردد که در رشد خودبخودی فقط همرفت طبیعی وجود دارد.
بطور کلی همرفت طبیعی از اختلاف چگالی بدلیل وابستگی دمایی چگالی در طول محلول بوجود میآید. شکل جریانهایی که بدلیل این نوع همرفت در طول محلول بوجود میآیند بستگی شدیدی به جهت حرارت دادن به بوته در کوره دارد. اگر کوره طوری طراحی شده باشد که حرارت از دیوارهها به سمت بوته بتابد، محلول نزدیک به دیواره بوته گرم شده و در طول دیواره به سمت بالا حرکت میکند. پس از رسیدن به سطح به طرف مرکز بوته ادامه داده و نهایتاً بدلیل از دست دادن گرما به سمت پایین بوته حرکت میکنند - شکل 3 ، - No:1 و اما اگر حرارت دادن از قسمت پایین بوته انجام پذیرد، جهت حرکت محلول بر عکس حالت قبل می باشد - شکل3 ،. - No:2 یعنی سیال از مرکز بوته به سمت بالا حرکت کرده و سپس در روی سطح به سمت دیواره حرکت کرده و از آنجا به سمت پایین حرکت می-کند.
شکل:1 نمودار حلالیت فلاکس ها - فلاکسKBa2 - PO3 - 5.2K2O [3]
شکل: 2 نمودار فراریت فلاکس ها
شکل:3همرفت طبیعی در محلول درون بوته
برای این که این جریان ها همرفتی به شکل هر چه بهتری در محلول بوجود آوریم، یک اختلاف دمایی بین پایین و بالای بوته ایجاد می کنیم که بر اساس نتایج شبیه سازی کامپیوتری انجام شده برای بوته مورد استفاده در فرایند رشد در چنین حالتی بهترین گرادیان دمایی 4-3درجه سانتی گراد می باشد. در شکل 4 به وضوح مشخص است که تحت این شرایط بهترین جریان ها در محلول ایجاد می شود.
بعد ا انجام فرایند سنتزو رشد بوته ها را از کوره خارج کردیم که پراکندگی بلورها در کل و سطح محلول به صورتی که در شکل6 نشان داده شده است بود.
شکل - a - : 4 توزیع دمایی، - b - توزیع و اندازه بردارهای سرعت در محلول
رشد بلور
برای رشد تک بلورهای KTP از مواد KH2PO4 ,TiO2 و PbCO3 با درصد خلوص - %99,99شرکت مرک - استفاده شد. مواد اولیه را با توجه به روابط شیمیایی 1و2 با نسبت - - KTPFlux - - gg = 1 وزن کرده و درون بوته می ریزم و داخل کوره سه ناحیه ای عمودی با پروفایل دمایی که در شکل5 نشان داده شده است تحت شرایطی که
در جدول1 بیان شده برای انجام فرایند سنتز و رشد قرار دادیم.
شکل: 5 پروفایل دمایی کوره سه ناحیه ای عمودی جدول: 1 شرایط فرایند سنتز و رشد بلور
شکل: 6 پراکندگی بلور ها در محلول پس از رشد : - No.1 - با گرادیان دمایی 0 8℃ و - No.2 - با گرادیان دمایی3- 4 ℃
همانطور که مشخص است وجود گرادیان دمایی 3-4 ℃ در طول بوته باعث شده است بلورهایی با کیفیت و اندازه بهتری رشد یابند - شکل - 7، دلیل این امر نیز آن است که وجود گرادیان دمایی در طول بوته باعث می گردد شارش تقریبا ایده آلی در کل محلول ایجاد شود و این شارش سبب می شود انتقال مناسبی بین تمام اجزائ محلول وجود داشته و کل محلول در فرایند رشد شرکت کند و جایگاه های رشد بلور در محلول تا حد ممکن کاهش پیداکرده و بلورها با تعداد کمتر ولی اندازه و کیفیت بهتر از حالتی که گرادیان دمایی ناچیز وجود دارد رشد یابند.
شکل: 7 بهترین بلورهای رشد داده شده : - No.1 - با گرادیان دمایی 0,8℃
