A fusão zonal horizontal aplicada ao crescimento de policristais grosseiros de alumínio

Abstract

A fusão zonal compreende uma família de métodos para controle e distribuição de impurezas na qual uma pequena zona fundida é deslocada lentamente ao longo de um material sólido, redistribuindo o soluto. Ela é utilizada na purificação de materiais, num processo denominado refino zonal, mas também pode ser usada na distribuição homogênea ou descontínua de impurezas e no crescimento de cristais. A fusão zonal aplicada ao crescimento de grãos, visando a obtenção de materiais mono ou policristalinos com grãos grosseiros é denominada recristalização por fusão zonal (ZMR) e seu uso principal é na preparação de materiais para fabricação de dispositivos eletrônicos e fotovoltaicos, especialmente em silício. Na última década, o progresso na tecnologia ZMR foi feito principalmente em três campos: desenvolvimento de equipamento, controle de processo e modelagem numérica, mas somente algumas pesquisas abordam a fusão zonal a baixas temperaturas e restringem a aplicação do método a outros materiais semicondutores como os elementos do grupo III, IV ou V. Deste modo, o presente trabalho tem como objetivo verificar a influência da velocidade de varredura, da largura da zona fundida e do número de passadas no processo de fusão zonal de materiais de baixo ponto de fusão, em relação à obtenção de materiais policristalinos com grãos grosseiros. Para tanto, construiu-se um equipamento de fusão zonal horizontal e barras de alumínio puro (P0610) foram submetidas ao processo, variando os parâmetros acima referidos. A macroestrutura das amostras foi analisada e os resultados obtidos do número de grãos/área foram interpretados, verificando a influência dos parâmetros físicos anteriormente citados, do gradiente térmico e do super-resfriamento constitucional. Verificou-se que a redução na velocidade de varredura e na largura da zona fundida, de modo geral, mostrou-se eficiente em relação à diminuição do número de grãos por área. Os resultados obtidos indicam que a fusão zonal foi efetiva na obtenção de alumínio policristalino com grãos grosseiros e colaboram para melhorar a compreensão do processo.

The zone melting comprises a family of methods to control and to distribute impurities in which a small molten zone is moved slowly along a solid material, redistributing solute. It is used in materials purification, in a so-called zone refining process, but can also be used in homogeneous or discontinuous distribution of impurities and crystal growth. The zone melting applied to grain enlargement, leading to attain singlecrystalline or polycrystalline materials with coarse grains is so-called zone melting recrystallization (ZMR) and its major use is the preparation of materials for electronic and photovoltaic devices process especially silicon. In the last decade, progress in ZMR technology was done mainly in three areas: equipment development, process control, and numerical modeling, but only a few researches handle on zone melting at low temperatures and it limits the application of the method to other semiconductor materials such as III, IV or V group elements. Thus, this study aims to examine the influence of scan rate, zone width and the number of zone passes in the zone melting process of low melting point materials about getting polycrystalline materials with coarse grains. For this, horizontal zone melting equipment was built and pure aluminum bars (P0610) were zone melted, varying the parameters mentioned above. The macrostructure of the samples was analyzed and the results of the number of grains per area were assessed by checking the influence of physical parameters previously mentioned and the thermal gradient and the constitutional supercooling. It was found that scan rate and zone width reduction in general, proved to be efficient in reducing the number of grains per area. The results indicate that the zone melting was effective in obtaining aluminum polycrystalline coarse-grained and collaborate to improve the understanding of the process.