Der Artikel »Numerical Modelling of Heat Transfer and Thermal Stress at the Czochralski Growth of Neodymium Scandate Single Crystals« wurde in der Zeitschrift Crystal Research & Technology veröffentlicht.
Im Artikel wird die Czochralski-Züchtung von Neodymscandat (NdScO3)-Einkristallen entlang der [110]-Richtung mittels numerischer Simulation untersucht.
NdScO3 besitzt Perovskitstruktur und ist ein interessantes Substratmaterial für die Herstellung ferroelektrischer Perovksitschichten. Eine wichtige Frage bei der Züchtung sind die auftretenden thermischen Spannungen im Kristall, die zu Qualitätsverlust oder auch zum Komplettverlust durch Zerspringen des Kristalls bei der Abkühlung nach der Züchtung führen können. Oxidische Kristalle sind in der Regel semitransparent, und somit spielt die Strahlungsabsorption im Kristall eine entscheidene Rolle für das Temperaturfeld im Kristall und damit auch die Form der Phasengrenze zwischen Kristall und Schmelze. Da der Absorptionkoeffizient für NdScO3 nicht bekannt ist, wurde er in der numerischen Studie in einem weiten Bereich variiert und die aus den Berechnungen resultierenden thermischen Spannungen analysiert. Während die Temperatur in Kristall, Schmelze und in der gesamten Züchtungsanlage rotations-symmetrisch berechnet wird, erfolgt die Berechnung der thermischen Spannungen im Kristall dreidimensional, da aufgrund der monoklinen Kristallstruktur die thermische Ausdehnung und der Tensor der elastischen Koeffizienten anisotrop sind. Die Beziehung zum Experiment wird durch Vergleich der Durchbiegung der Phasengrenze hergestellt: im Bereich der Absorptionskoeffizienten von 40-200 m-1 stimmen die Maximalwerte der Durchbiegung von Berechnung und Experiment gut überein. In diesem Gebiet sind die Maximalwerte der von-Mises-Spannung in einem mittleren Bereich, während sie im Bereich zwischen 20 und 40 m-1 hohe Werte haben. Ein anderes interessantes Phänomen ist die Ausbildung von lokalen Temperaturmaxima im Kristall, sowohl in der Schulterregion als auch zum Ende des zylindrischen Kristallteils, wenn die Absorption nicht hoch ist (3-100 m-1)
Dieser Artikel von Klaus Böttcher, Wolfram Miller und Steffen Ganschow gehört zu den Top 10 der am häufigsten in den ersten 12 Monaten ab Veröffentlichung heruntergeladenen Artikel in Crystal Research & Technology, die zwischen dem 1. Januar 2019 und dem 31. Dezember 2020 veröffentlicht wurden.
Die DOI ist https://doi.org./10.1002/crat.202000106.
