تك كريستال هاي PZN-PT و PMN-PT توليد شده با روش رشد فلاكس (2)

ساير مشكلات متداول ايجاد شده

علاوه بر مشكلات مربوط به وارد شدن ناخالصي هاي مربوط به فلاكس و جدايش تركيب شيميايي بحث شده در بالا، ساير مشكلات ايجاد شده در طي رشد فلاكس تك كريستال هاي PZN-PT و PMN-PT عبارتند از جوانه زني چندگانه در نقاطه ي سرد كردن، تشكيل كريستال هاي ناخواسته و فرعي، جوانه زني بر روي ديواره هاي كناري، به دام افتادن ماده ي فلاكس در داخل كريستال، ترك خوردن و ايجاد لايه هاي سطحي غني از PT. در ادامه به طور خلاصه در مورد آنها صحبت مي شود.

جوانه زني چندگانه و كريستال هاي فرعي

استفاده از آرايه هاي سرمايشي محلي در فرايند رشد فلاكس همواره موجب تضمين شدن جوانه زني و رشد تك كريستال نمي شود. در عوض، موجب جوانه زني چند گانه ي كرستالي در نقطه ي سرد كردن مي شود. حتي اگر جوانه زني تك كريستال موفق باشد، كريستال هاي فرعي ممكن است بعدا و در طي سرمايش آهسته، جوانه بزنند و موجب تخريب حالت كمال تك كريستال شوند. تحت شرايطي كه ميزان كنترل كمتر باشد، اين وضعيت مي تواند بدتر باشد و ممكن است موجب توليد تعداد زيادي كريستال ميليمتري در داخل ظرف واكنش شود. مشكل تشكيل كريستال هاي فرعي به فرايند همرفت محدود در محلول و همچنين سرعت سرمايش بالا، نسبت داده مي شود. يك چين مشكلي مي تواند تا حد زيادي با بهبود آرايه هاي مربوط به سرمايش و كاهش نرخ سرمايش، اصلاح مي شود.

كريستال هاي ناخواسته

برخلاف كريستال هاي فرعي كه در پيرامون كريستال اصلي و در كف بوته ي پلاتيني، رشد مي كنند، كريستال هاي ناخواسته بر روي خود كريستال جوانه زني و رشد مي كنند. علت تشكيل اين كريستال هاي ناخواسته، مشابه علت تشكيل كريستال هاي فرعي است به استثناي اين مسئله كه ميزان بالاتري از فوق اشباع براي تشكيل آنها ضروري است. مشابه با كريستال هاي فرعي، از تشكيل كريستال هاي ناخواسته مي تواند با كاهش نرخ سرمايش، جلوگيري كرد.

جوانه زني بر روي ديواره هاي كناري

در رشد معمولي با استفاده از فلاكس براي رشد تك كريستال هاي رلاكسور PT، جوانه زني هاي متعدد در مجاور محل قرار گيري مذاب بر روي بوته ي پلاتيني، گاهاً در استفاده ي بعدي از بوته مشاهده مي شود. اگر چه اين مسئله ممكن نيست بر روي كيفيت رشد در كريستال اصلي از كف ظرف، اثر گذار باشد، اين مسئله موجب كاهش اجزاي مورد نياز براي رشد كريستال مي شود. حذف جوانه زني بر روي ديواره هاي جانبي از جمله كارهاي مهم در توليد كريستال هاي درشت مي باشد. اين مسئله با استفاده از اين روش مي توان انجام شود كه بخش بالايي بوته همواره دماي بالاتري نسبت به كف بوته دريافت كند.

كريستال هاي پيروكلر

كريستال هاي پيروكلر در زماني مشاهده مي شوند كه تركيب نامناسبي از ماده ي فلاكس و يا نسبت نا مناسبي از فلاكس به ماده ي حل شونده مورد استفاده قرار گيرد. وقتي حركت سيستم رشد كريستال به سمت دماهاي پايين تر انجام مي شود (دماهايي بالاتر از 900℃)، اين فاز به طور متداول مشاهده مي شود. تحت شرايط گفته شده، اين محلول به طور بيش از حدي از فلاكس PbO غني مي شود و موجب ايجاد شرايط مساعد براي تشكيل آنها مي شود. اين فازها همچنين در زماني مشاهده مي شوند كه جوانه زني نقطه اي موفقيت آميز نباشد به نحوي كه يك بخش از مذاب در داخل يك حلقه از كريستال هاي فرعي به دام افتد. اين فاز همچنين وقتي تشكيل مي شود كه نرخ كريستاليزاسيون بسيار بالا باشد به نحوي كه كريستال تشكيل شده ممكن است داراي ميزان بالايي از عيوب باشد. وقتي اين مسئله رخ مي دهد، اين تمايل ايجاد مي شود كه كريستال داراي عيوب در طي مرحله ي سرمايش آهسته، به فاز پيروكلر تبديل شود. از تشكيل كريستال هاي پيروكلر در زماني كه شرايط رشد كريستال به طور دقيق كنترل شوند، جلوگيري مي شود. بدين وسيله اطمينان حاصل مي شود كه آنها به طور ايده آل تشكيل نمي شوند. به پايان رساندن فرايند رشد كريستال در دماهاي كاري بالاتر همچنين از تشكيل اين فاز جلوگيري مي كند. استفاده از اكسيد بور در فلاكس PbO در رشد PZN-PT بايد جلوگيري شود زيرا استفاده از اين ماده موجب افزايش احتمال تشكيل فاز پيروكلر مي شود. اين مسئله با يافته هاي مربوط به محققين قبلي نيز تطابق دارد.

به دام افتادن فلاكس

حتي با استفاده از تركيب بهينه از فلاكس و جلوگيري از ايجاد مشكلات مربوط به جدايش فازي، تك كريستال هاي رلاكسور PT ممكن است همچنين شامل ناخالصي هاي فلاكسي فراواني هستند. يك مثال از اين مورد در شكل 1a آورده شده است.
اين مسئله بايد تذكر داده شود كه تحت شرايط رشد نرمال، بخش هاي رشد چندگانه اغلب به صورت همزمان بر روي يك كريستال معين عمل مي كنند. در سرعت هاي رشد به اندازه ي كافي بالا، در مرزدانه هايي اين بخش هاي رشد يافته، فلاكس به دام مي افتد. وقتي جوانه زني و رشد بر روي صفحات كريستالي (001) به دليل ميزان بالايي از فوق اشباع در محلول، اتفاق افتد، اين فلاكس مي تواند به سهولت در جبهه ي رشد به دام مي افتد. يك مثال واضح از يك چنين موردي در شكل 1b نشان داده شده است.

ترك ها

تك كريستال هاي رلاكسور ترد هستند و به سهولت ترك مي خورند. يك تك كريستال بزرگ از جنس رلاكسور ممكن است در طول محيطش ترك بخورد اگر در طي رشد كريستال يا فرايند بازيابي، تحت شك هاي حرارتي قرار گيرد. وقتي كريستال هاي فرعي يا ناخواسته حضور داشته باشند، تمركز تنش مربوط به انبساط حرارتي در طي سرد كردن، ممكن است موجب ترك خوردن اين كريستال ها شود. حضور كريستال هاي پيروكلر يكي ديگر از عوامل تشكيل ترك مي باشد. علت اين مسئله احتمالاً تفاوت در ضرايب انبساط گرمايي بين فازهاي پروسكايت PZN-PT و فازهاي غير از فاز پيروكلر در طي سرد كردن مي باشد.
ترك هاي ايجاد شده در تك كريستال هاي رلاكسور PT ممكن است از كريستالوگرافي باشد يا نباشد. اين مسئله مخصوصاً براي ترك هاي محيطي ايجاد مي شود. مسائل مربوط به ترك خوردن كريستال مي تواند به طور قابل توجهي بوسيله ي كاهش فاز پيروكلر و جلوگيري از تشكيل فازهاي فرعي و ناخواسته، از بين رود.

ناخالصي هاي پلاتيني

اگر چه اين مسئله همواره مشاهده نمي شود، ناخالصي هاي پلاتين گاه گاهي در تك كريستال هاي PMN-PT رشد داده شده با روش فلاكس مشاهده مي شود. آنها اغلب به صورت يك لايه ي رسوبي درخشان بر روي سطح ترك هاي داخلي و يا مرزدانه هاي بخش در حال رشد، ايجاد مي شوند. حضور آنها ممكن است به دليل وجود اكسيد بور در داخل محلول و دماي انحلال بالاتري است كه در براي فرايند مورد استفاده قرارگرفته است. در عوض، ناخالصي هاي پلاتيني به ندرت در رشد تك كريستال هاي PZN-PT مشاهده مي شود. اين ناخالصي ها زماني مشاهده مي شود كه فلاكس PbO با خلوص بالا استفاده شده است يا از دماهاي انحلال كمتر استفاده شده باشد.

لايه ي سطحي غني از پلاتين با ديواره هاي دمين شكننده

همانگونه كه قبلاً گفته شد، جدايش هاي مخرب در بخش هاي آخر رشد فلاكس تك كريستال هاي PMN-PT مشاهده مي شود. وقتي رشد تك كريستال هاي PMN-PT در محلولي با تركيب نزديك به مرز فازي مورفوتروپيك انجام مي شود، اين مسئله ممكن است منجر به تشكيل لايه ي غني از فاز تتراگونال شود. اين لايه بوسيله ي ديواره هاي دمين با جهت گيري <100> شناسايي مي شوند كه با زاويه اي قائم نسبت به هم قرار گرفته اند. همانگونه كه در شكل 2 مشاهده مي شود، وقتي با دقت به اين بخش ها نگاه كنيم، برخي از ديواره هاي دمين ها داراي انعكاس بيشتري هستند و اين مسئله پيشنهاد مي دهد كه آنها ممكن است در واقع ترك هايي باشند. ديوارههاي سالم تا حدي ترد هستند و قابليت ايجاد ترك را در فرايند هاي بعدي (مانند برش و پوليش كاري) را دارند. يك لايه ي سطحي مشابه و ديواره هاي دمين خاص به ندرت در رشد فلاكس تك كريستال هاي PZN-PT داراي مقدار PT زير 8 % مولي، مشاهده مي شوند.

نتيجه گيري

در حالي كه محلول هاي تك كريستال رلاكسور كه داراي مقدار PT پايين هستند (مانند PZN-xPT با x≤0.09 )، يون هاي ساده اي ايجاد مي كنند، محلول هاي داراي مقادير بالايي از PT مانند PMN-yPT با y≥0.25 داراي كمپلكس ها يا پيچيدگي هاي يوني زيادي هستند. براي تركيب هاي كريستالي داراي PT پايين، كريستال هاي با كيفيت بالا و اندازه ي بزرگ مي توانند از طريق روش هاي فلاكس دما بالا توليد شوند. به عبارت ديگر به دليل پيچيدگي يوني محلول هاي داراي مقادير بالا از PT، رشد تك كريستال هاي اين مواد در نزديكي مرز مرفوتروپيك نيازمند كنترل دقيق تركيب شيميايي فلاكس و نسبت فلاكس به ماده ي حل شونده است.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.