Κρύσταλλοι SrTiO3 χωρίς φυσαλίδες 30 mm σε διάμετρο με μέθοδο ανάπτυξης φλόγας-σύντηξης
Διαφορετικές εφαρμογές λεπτής μεμβράνης απαιτούν τη διαθεσιμότητα υψηλής ποιότητας μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων. Ένα δημοφιλές οξείδιο για τέτοιους σκοπούς είναι το SrTiO3 (STO). Το STO μελετάται επίσης ως ενεργό υλικό για την κατασκευή συσκευών εκμεταλλευόμενη νέες ιδέες, δηλαδή ότι οι περιοχές με ανεπάρκεια οξυγόνου θα λειτουργούν ως μεταλλικοί αγωγοί για νανο εγκλείσματα σε μια μονωτική μήτρα. Οι εφαρμογές όπου το STO αναμένεται να έχει αντίκτυπο είναι η μικροηλεκτρονική, η ισχύς και η ενέργεια και η λίστα είναι ανοιχτή για περαιτέρω εξελίξεις και ιδέες.
Το STO έχει υψηλή θερμοκρασία τήξης (2350 K) και, λόγω αυτού, η κατασκευή μονοκρυστάλλων δεν είναι ασήμαντη. Η μέθοδος σύντηξης φλόγας (Verneuil) είναι η μόνη προσέγγιση που χρησιμοποιείται βιομηχανικά για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων STO. Οι άλλες μέθοδοι δεν είναι κατάλληλες για εμπορική παραγωγή λόγω μικρών ρυθμών ανάπτυξης, μεγεθών ή χαμηλής απόδοσης. Στη μέθοδο σύντηξης με φλόγα, μίγματα σκονών οξειδίων Sr και Ti προστέθηκαν με SrCO3 και λιώνουν σε φλόγα που παράγεται από την καύση ενός μείγματος οξυγόνου και υδρογόνου. Το τήγμα στερεοποιείται σε ένα σπόρο μονού κρυστάλλου STO.
Οι δυσκολίες σχετίζονται με την εξάτμιση του Sr, τον έλεγχο των θερμικών κλίσεων και τις δυναμικές αλλαγές των παραμέτρων ανάπτυξης κατά την επεξεργασία. Το τελευταίο χαρακτηριστικό οφείλεται στην επίδραση του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου στο περιβάλλον του κλιβάνου. Επιπλέον, ο έλεγχος της διαδικασίας είναι επίσης περιορισμένος επειδή ορισμένες από τις βασικές παραμέτρους ανάπτυξης εξαρτώνται λίγο πολύ η μία από την άλλη. Κάτω από τις παρούσες συνθήκες και για μεγαλύτερους κρυστάλλους, η σταθερότητα της ανάπτυξης αλλάζει και κατά τη διάρκεια μιας βάρδιας παραγωγής, μπορεί κανείς εύκολα να καταλήξει με μέγεθος micron ή μεγαλύτερες φυσαλίδες στον κρύσταλλο. Ιδιαίτερα κρίσιμο από αυτή την άποψη είναι το τέλος της ανάπτυξης.
Όσο μεγαλύτερος είναι ο κρύσταλλος, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να ληφθούν κρύσταλλοι με ανεπιθύμητα ελαττώματα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι μετά την ανάπτυξη, οι μεγαλύτεροι κρύσταλλοι είναι όλο και πιο δύσκολο να οξυγονωθούν ομοιόμορφα. Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται, είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι, συνήθως, η διάμετρος των κρυστάλλων STO στην αγορά δεν υπερβαίνει τα 20 mm.
Στην εργασία που πραγματοποιήθηκε από ερευνητές από την Furuuchi Chemical Co, Ιαπωνία, Kanazawa Institute of Technology, Japan, National Institute for Materials Science, Japan, INOE 2000, Ρουμανία και National Institute of Materials Physics, Ρουμανία, μονοκρύσταλλοι STO χωρίς φυσαλίδες με διαμέτρου 30 mm καλλιεργήθηκαν υπό βιομηχανικές συνθήκες και εντός μίας βάρδιας παραγωγής (~5 ώρες ανάπτυξης). Η σύνθεση του μείγματος σκόνης πηγής, ειδικότερα, η ποσότητα SrCO3 πρόσθετο και άλλες παράμετροι ανάπτυξης βελτιστοποιήθηκαν. Μετά την οξυγόνωση, οι μονοκρυστάλλοι χαρακτηρίστηκαν από την άποψη της δομικής, μικροδομικής, οπτικής και φασματοσκοπίας THz.
Αυτοί οι κρύσταλλοι παρουσιάζουν παρόμοιες ιδιότητες με εμπορικούς μικρότερου μεγέθους. Αυτό επιτρέπει τη χρήση τους ως υποστρώματα για ανάπτυξη λεπτής μεμβράνης. Προτείνει επίσης τη δυνατότητα ανάπτυξης μονοκρυστάλλων μεγαλύτερων μεγεθών και για εμπορευματοποίηση υποστρωμάτων μεγάλης επιφάνειας.
