Contribution À L'étude De La Croissance Cristalline Du Saphir Avec Changement De Phase

Résumé: La recherche des techniques garantissant l’obtention d’un cristal de bonne qualité reste une préoccupation constante dans le domaine de la croissance cristalline. L'avantage principal de la méthode HEM étudié dans ce mémoire vient du fait que le matériau froid est en bas et le bain chaud est en haut, minimisant ainsi les effets néfastes de la convection. Le champ de température est plus stable par rapport aux autres techniques de croissance ce qui peut minimiser le sur-refroidissement, et assurer une croissance uniforme donnant un cristal parfait et homogène chimiquement. Pour les faibles rayons de l’échangeur la forme du front de solidification est sphérique et l’avancement de la croissance cristalline est lent. L’interface solide-liquide est plane et presque parallèle à la base du creuset pour des grandes dimensions de l’échangeur et la vitesse de croissance est élevée. La qualité des cristaux (monocristallinité ; faible taux de défauts ; homogénéité de composition….) requiert une forme d’interface de solidification la plus plane possible et une vitesse de croissance la plus constante possible. Cependant, pour une forme convexe de l’interface bain cristal, les impuretés se rassemblent sur les cotés du cristal et non pas au centre. Un cristal de saphir de forme hémisphérique peut être utilisé pour des applications militaires. La forme des isothermes suit toujours la forme du front de solidification et l’isotherme correspondante à la température de fusion coïncide avec l’interface de croissance cristalline. Des forts gradients de température ont été trouvés au voisinage de l’échangeur au début de la croissance cristalline donnant naissance à une couche limite thermique induite par l’échange de chaleur par refroidissement. Cette dernière disparaît en avançant dans le temps. Lorsque le rayon de l’échangeur augmente le refroidissement est plus rapide ainsi que l’avancement de l’interface de solidification, cela est dû à la grande surface d’échange qui engendre une extraction d’une grande quantité de chaleur. Le champ Le champ de pression nous a fournit plusieurs indications. On note ici que ce paramètre n’a pas été étudié auparavant par les spécialistes du domaine de la croissance cristalline à notre connaissance. Prés de l’échangeur, le gradient de pression est très fort au début de la croissance, il s’affaiblie loin de celui-ci. Cette variation de la pression et des gradients de pression sont provoqués essentiellement par le transfert de chaleur et le changement de phase liquide-solide au voisinage de l’échangeur. Quand la proportion du volume du saphir cristallisée devient grande la pression décroit axialement. Tous ces résultats, ainsi que beaucoup d’autres obtenus ou en cours de traitement illustrent la richesse des phénomènes rencontrés à travers cette étude (les différentes forme de front de la solidification ; la répartition des pressions et des températures…), malgré la difficulté du problème appréhendé. Ceux-ci font appel à une série de futurs travaux complémentaires afin de pouvoir répondre aux nombreuses questions soulevées à travers cette étude. A la lumière de ces premiers résultats, il est souhaitable, voir nécessaire, de compléter ces essais préliminaires, par un deuxième volet consacré à la variation des autres paramètres de la croissance cristalline tels que la température de l’échangeur ; le débit du liquide de refroidissement et la géométrie de creuset. En outre, on propose d’intégrer des sousbroutines (UDF, User Define Functions) afin de donner des propriétés thermophysiques différentes pour le solide et le liquide. Il convient, également, d’approfondir la présente étude en considérant l’aspect tridimensionnel du procédé et de prendre en considération toutes les parties constituantes du système, liquide, solide ou gazeuse afin d’approcher les conditions réalistes de la croissance et donc avoir les critères nécessaires à l’obtention d’un cristal de bonne qualité.

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