Etude De La Croissance Cristalline De Type Kyropoulos

Résumé: Le saphir monocristallin (Al2O3) possède des propriétés physiques, chimiques et optiques exceptionnelles, ce qui en fait un excellent matériau pour les applications dans la haute technologie telle que les lasers, l’optique non linéaire, l’industrie optoélectronique et autres. Les substrats de saphir ont pris, ces dernières années, une place importante dans la fabrication des dispositifsà semi-conducteurs(SOS) et les performances de ces matériaux dépendent notamment de la qualité et de l’homogénéité du saphir utilisé comme substrat et également des impuretés qu’il contient. Étant donné que la croissance cristalline de la plupart des cristaux synthétisés s’effectue à des températures très élevées, le processus de cristallisation du saphir doit être très bien contrôlé (la température de fusion du saphir est de 2050 C˚). En effet, une mauvaise maîtrise de variation de la température peut mener à l'échec du processus de croissance, et de ce fait, un contrôle bien précis de la température est indispensable. Par conséquent, il apparaît qu'une bonne compréhension du comportement thermique de la chambre chaude de croissance, de même qu'une étude approfondie des phénomènes physico-chimiques impliqués pendant la synthèse tels que l’écoulement du bain fondu ou le transfert de masse, sont des paramètres clés pour réussir la croissance des cristaux de saphir d’un grand diamètre et de haute qualitéstructurale. Dans la présente thèseet afin de pouvoir améliorer la qualité des cristaux de saphir obtenus par la méthode Kyropoulos, nous avons mené des simulations numériques en utilisant la méthode des éléments finis dans laquelle nous nous intéressons à la modélisation des mécanismes affectant l’hydrodynamique du saphir liquide au sein du creuset, la thermique dans la chambre chaude de croissance et la thermoélasticité du cristal cultivé. Nous nous concentrons sur les différentes étapes du processus de croissance à savoir : l’étape avant la connexion du germe avec la surface libre du saphir fondu, ensuite à l’étape juste au contact avec la surface libre (début de germination) et enfin au cours de la formation du cristal (étape intermédiaire de la croissance). Nous y parvenons en étudiant l’effet géométrique des formes d'angle du creusetsur la convection naturelle du bain fondu et nous mettons en évidence les éléments d’information apportés par le chauffage résistif supplémentaire (placé au-dessous de la base du creuset)et la convection forcée générée par la rotation du cristal. En particulier, les champs de température et de vitesse dans un bain de Kyropoulos ainsi que la convexité de l’interface cristal-liquide sont calculés dans chaque configuration étudiée afin de choisir une forme appropriée du creuset en fonction des autres paramètres de contrôle qui régissent le processus de cristallisation. Une série de simulations dans différentes conditions a été également réalisée pour calculer les contraintes thermoélastiques tridimensionnelles (3D) dans le monocristal de saphir suivant l’orientation cristallographique basalec(0001) tout en mettant l’accent sur son aspect anisotrope.

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