Pojedynczy kryształ - Single crystal
Pojedynczego kryształu lub monokryształów , stały jest materiałem, w którym sieć krystaliczna całej próbki w sposób ciągły i nieprzerwany z krawędziami próbki bez granic ziaren . Brak defektów związanych z granicami ziaren może nadać monokryształom unikalne właściwości, zwłaszcza mechaniczne, optyczne i elektryczne, które mogą być również anizotropowe , w zależności od rodzaju struktury krystalograficznej . Te właściwości, oprócz tego, że niektóre klejnoty są cenne, są wykorzystywane przemysłowo w zastosowaniach technologicznych, zwłaszcza w optyce i elektronice.
Ponieważ efekty entropowe sprzyjają występowaniu pewnych niedoskonałości w mikrostrukturze ciał stałych, takich jak zanieczyszczenia , niejednorodne odkształcenia i defekty krystalograficzne, takie jak dyslokacje , doskonałe monokryształy o znaczącej wielkości są w przyrodzie niezwykle rzadkie. Niezbędne warunki laboratoryjne często zwiększają koszty produkcji. Z drugiej strony niedoskonałe monokryształy mogą w naturze osiągać ogromne rozmiary: wiadomo, że kilka gatunków minerałów, takich jak beryl , gips i skalenie , wytworzyło kryształy o średnicy kilku metrów.
Przeciwieństwem monokryształu jest struktura amorficzna, w której pozycja atomu jest ograniczona tylko do rzędu krótkiego zasięgu. Pomiędzy tymi dwoma skrajnościami istnieje polikrystaliczny , który składa się z szeregu mniejszych kryształów znanych jako krystality , oraz fazy parakrystaliczne . Monokryształy mają zwykle charakterystyczne płaskie powierzchnie i pewną symetrię, gdzie kąty między ścianami dyktują ich idealny kształt. Kamienie szlachetne to często pojedyncze kryształy sztucznie cięte wzdłuż płaszczyzn krystalograficznych, aby wykorzystać właściwości refrakcyjne i odblaskowe.
Metody produkcji
Chociaż obecne metody są niezwykle wyrafinowane dzięki nowoczesnej technologii, początki wzrostu kryształów sięgają oczyszczania soli przez krystalizację w 2500 roku p.n.e. Bardziej zaawansowaną metodę wykorzystującą roztwór wodny rozpoczęto w 1600 r. n.e., podczas gdy metody stapiania i parowania rozpoczęły się około 1850 r. n.e.
Podstawowe metody wzrostu kryształów można podzielić na cztery kategorie w oparciu o to, z czego są sztucznie wyhodowane: stop, ciało stałe, para i roztwór. Specyficzne techniki wytwarzania dużych monokryształów (tzw. bule ) obejmują proces Czochralskiego (CZ) , strefę pływającą (lub ruch strefowy) oraz technikę Bridgmana . Dr Teal i dr Little z Bell Telephone Laboratories jako pierwsi zastosowali metodę Czochralskiego do stworzenia monokryształów Ge i Si. Można zastosować inne metody krystalizacji, w zależności od właściwości fizycznych substancji, w tym syntezę hydrotermalną , sublimację lub po prostu krystalizację rozpuszczalnikową . Na przykład, zmodyfikowaną metodę Kyropoulos można wykorzystać do hodowli wysokiej jakości 300 kg pojedynczych kryształów szafiru. Metoda Verneuila , zwana również metodą fuzji płomieniowej, była używana na początku XX wieku do robienia rubinów przed CZ. Diagram po prawej ilustruje większość konwencjonalnych metod. Dokonano nowych przełomów, takich jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), wraz z różnymi odmianami i poprawkami istniejących metod. Nie są one pokazane na schemacie.
W przypadku monokryształów metalu techniki wytwarzania obejmują również epitaksję i nieprawidłowy wzrost ziarna w ciałach stałych. Epitaksja służy do osadzania bardzo cienkich (w skali od mikrometra do nanometra) warstw tego samego lub różnych materiałów na powierzchni istniejącego monokryształu. Zastosowania tej techniki znajdują się w obszarach produkcji półprzewodników, z potencjalnymi zastosowaniami w innych dziedzinach nanotechnologii i katalizie.
Aplikacje
Przemysł półprzewodników
Jednym z najczęściej używanych monokryształów jest krzem w przemyśle półprzewodników. Cztery główne metody produkcji monokryształów półprzewodnikowych pochodzą z roztworów metali: epitaksja w fazie ciekłej (LPE), elektroepitaksja w fazie ciekłej (LPEE), metoda grzałki podróżnej (THM) i dyfuzja w fazie ciekłej (LPD). Istnieje jednak wiele innych monokryształów oprócz monokryształów nieorganicznych zdolnych do półprzewodników, w tym półprzewodników organicznych monokryształów.
Krzem monokrystaliczny jest używany do produkcji półprzewodników, a fotowoltaika jest obecnie największym zastosowaniem technologii monokrystalicznej. W fotowoltaice najbardziej wydajna struktura krystaliczna zapewni najwyższą konwersję światła w elektryczność. W skali kwantowej, na której działają mikroprocesory , obecność granic ziaren miałaby znaczący wpływ na funkcjonalność tranzystorów polowych poprzez zmianę lokalnych właściwości elektrycznych. Dlatego producenci mikroprocesorów zainwestowali duże środki w urządzenia do produkcji dużych monokryształów krzemu. Metoda Czochralskiego i strefa pływająca to popularne metody wzrostu kryształów krzemu.
Inne nieorganiczne monokryształy półprzewodnikowe obejmują GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe i ZnTe. Większość z nich można również dostroić różnymi domieszkami, aby uzyskać pożądane właściwości. Grafen monokrystaliczny jest również bardzo pożądany do zastosowań w elektronice i optoelektronice ze względu na dużą ruchliwość nośników i wysoką przewodność cieplną i pozostaje przedmiotem żarliwych badań. Jednym z głównych wyzwań jest hodowanie jednolitych monokryształów dwuwarstwowego lub wielowarstwowego grafenu na dużych obszarach; wzrost epitaksjalny i nowa CVD (wspomniana powyżej) należą do nowych obiecujących metod będących przedmiotem badań.
Organiczne monokryształy półprzewodnikowe różnią się od kryształów nieorganicznych. Słabe wiązania międzycząsteczkowe oznaczają niższe temperatury topnienia, wyższe prężności par i większą rozpuszczalność. Aby monokryształy mogły rosnąć, czystość materiału ma kluczowe znaczenie, a produkcja materiałów organicznych zwykle wymaga wielu etapów, aby osiągnąć niezbędną czystość. Prowadzone są szeroko zakrojone badania mające na celu poszukiwanie materiałów, które są stabilne termicznie i charakteryzują się dużą mobilnością nośnika ładunku. Wcześniejsze odkrycia obejmują naftalen, tetracen i 9,10-difenyloantacen (DPA). Pochodne trifenyloaminy okazały się obiecujące, a ostatnio w 2021 r. struktura monokrystaliczna α-fenylo-4′-(difenyloamino)stilbenu (TPA) wyhodowana metodą roztworową wykazała jeszcze większy potencjał do zastosowania półprzewodników dzięki właściwościom antropicznego transportu dziur.
Aplikacja optyczna
Monokryształy mają wyjątkowe właściwości fizyczne, ponieważ są pojedynczym ziarnem z cząsteczkami w ścisłej kolejności i bez granic ziaren. Obejmuje to właściwości optyczne, a monokryształy krzemu są również używane jako okna optyczne ze względu na ich przezroczystość w określonych długościach fal podczerwieni (IR) , co czyni je bardzo przydatnymi w przypadku niektórych instrumentów.
Szafiry : lepiej znane przez naukowców jako faza alfa tlenku glinu (Al 2 O 3 ), monokryształy szafiru są szeroko stosowane w inżynierii high-tech. Może być hodowany z fazy gazowej, stałej lub roztworu. Średnica kryształów wynikająca z metody wzrostu jest ważna przy rozważaniu zastosowań elektronicznych po. Stosowane są do laserów i optyki nieliniowej . Niektóre godne uwagi zastosowania to biometryczny czytnik linii papilarnych, dyski optyczne do długoterminowego przechowywania danych i interferometr rentgenowski.
Fosforek indu : Te monokryształy są szczególnie odpowiednie do łączenia optoelektroniki z elektroniką o dużej szybkości w postaci światłowodu z podłożami o dużej średnicy. Inne urządzenia fotoniczne obejmują lasery, fotodetektory, fotodiody lawinowe, modulatory i wzmacniacze optyczne, przetwarzanie sygnałów oraz układy scalone zarówno optoelektroniczne, jak i fotoniczne.
.jpg)
German : Był to materiał w pierwszym tranzystorze wynalezionym przez Bardeena, Brattaina i Shockleya w 1947. Jest używany w niektórych detektorach promieniowania gamma i optyce podczerwieni. Teraz stał się przedmiotem zainteresowania ultraszybkich urządzeń elektronicznych ze względu na swoją nieodłączną mobilność nośnika.
Arsenide : Arsenide III można łączyć z różnymi pierwiastkami, takimi jak B, Al, Ga i In, przy czym związek GaAs jest bardzo poszukiwany w przypadku wafli.
Tellurek kadmu : Kryształy CdTe mają kilka zastosowań jako podłoża do obrazowania w podczerwieni, urządzeń elektrooptycznych i ogniw słonecznych . Łącząc CdTe i ZnTe ze sobą, można wykonać detektory rentgenowskie i gamma w temperaturze pokojowej.
Przewodniki elektryczne
Metale mogą być, co zaskakujące, produkowane w postaci monokryształów i stanowią sposób na zrozumienie najwyższej wydajności przewodników metalicznych. Jest to niezbędne do zrozumienia podstawowych nauk, takich jak chemia katalityczna, fizyka powierzchni, elektrony i monochromatory . Produkcja monokryształów metalicznych ma najwyższe wymagania jakościowe i są hodowane lub wyciągane w postaci prętów. Niektóre firmy mogą produkować określone geometrie, rowki, otwory i powierzchnie odniesienia wraz z różnymi średnicami.
Ze wszystkich pierwiastków metalicznych srebro i miedź mają najlepszą przewodność w temperaturze pokojowej, wyznaczając poprzeczkę wydajności. Wielkość rynku oraz wahania podaży i kosztów dostarczyły silnych bodźców do poszukiwania alternatyw lub znajdowania sposobów na ich mniejsze wykorzystanie poprzez poprawę wydajności.
Przewodność przewodników komercyjnych jest często wyrażana w odniesieniu do międzynarodowego standardu miedzi wyżarzanej , zgodnie z którą najczystszy drut miedziany dostępny w 1914 r. mierzył około 100%. Najczystszy współczesny drut miedziany jest lepszym przewodnikiem, mierząc ponad 103% w tej skali. Zyski pochodzą z dwóch źródeł. Po pierwsze, nowoczesna miedź jest bardziej czysta. Wydaje się jednak, że ta droga poprawy dobiega końca. Czystość miedzi nadal nie powoduje znaczącej poprawy. Po drugie, ulepszono wyżarzanie i inne procesy. Wyżarzanie zmniejsza dyslokacje i inne defekty kryształów, które są źródłem oporu. Ale powstałe druty są nadal polikrystaliczne. Granice ziaren i pozostałe defekty kryształów są odpowiedzialne za pewien opór szczątkowy. Można to określić ilościowo i lepiej zrozumieć, badając pojedyncze kryształy.
Zgodnie z przewidywaniami miedź monokrystaliczna okazała się mieć lepszą przewodność niż miedź polikrystaliczna.
| Materiał | ρ (μΩ∙cm) | IACS |
|---|---|---|
| Monokryształ Ag, domieszkowany 3 mol% Cu | 1,35 | 127% |
| Monokryształ Cu, dalej przetwarzany | 1.472 | 117,1% |
| Monokryształ Ag | 1,49 | 115,4% |
| Monokryształ Cu | 1,52 | 113,4% |
| Drut Ag o wysokiej czystości (polikrystaliczny) | 1,59 | 108% |
| Drut Cu o wysokiej czystości (polikrystaliczny) | 1,67 | 103% |
Jednak miedź monokrystaliczna nie tylko stała się lepszym przewodnikiem niż srebro polikrystaliczne o wysokiej czystości, ale przy zalecanej obróbce cieplnej i ciśnieniowej może przewyższyć nawet srebro monokrystaliczne. Chociaż zanieczyszczenia zwykle źle wpływają na przewodnictwo, najlepszy okazał się monokryształ srebra z niewielką ilością podstawień miedzi.
Od 2009 r. żadna miedź monokrystaliczna nie jest produkowana przemysłowo na dużą skalę, ale metody wytwarzania bardzo dużych pojedynczych kryształów dla przewodników miedzianych są wykorzystywane do zastosowań elektrycznych o wysokiej wydajności. Można je uznać za meta-pojedyncze kryształy z zaledwie kilkoma kryształami na metr długości.
Łopatki turbiny z pojedynczym kryształem
Innym zastosowaniem monokrystalicznych ciał stałych jest materiałoznawstwo w produkcji materiałów o wysokiej wytrzymałości i niskim pełzaniu cieplnym , takich jak łopatki turbin . W tym przypadku brak granic ziaren faktycznie powoduje zmniejszenie granicy plastyczności, ale co ważniejsze, zmniejsza pełzanie, które jest krytyczne dla zastosowań części o wysokiej temperaturze i wąskich tolerancjach. Badacz Barry Piearcey odkrył, że wygięcie pod kątem prostym w formie odlewniczej zmniejszyłoby liczbę kryształów kolumnowych, a później naukowiec Giamei wykorzystał to do rozpoczęcia monokrystalicznej struktury łopatki turbiny.
W badaniach
Monokryształy są niezbędne w badaniach, zwłaszcza w fizyce materii skondensowanej i we wszystkich aspektach materiałoznawstwa, takich jak nauka o powierzchni . Szczegółowe badanie struktury krystalicznej materiału technikami takimi jak dyfrakcja Bragga i rozpraszanie atomów helu jest łatwiejsze w przypadku monokryształów, ponieważ możliwe jest badanie kierunkowej zależności różnych właściwości i porównanie z przewidywaniami teoretycznymi. Ponadto techniki uśredniania makroskopowego, takie jak kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna lub dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych, są możliwe lub mają sens tylko na powierzchniach monokryształów. W nadprzewodnictwie zdarzały się przypadki materiałów, w których nadprzewodnictwo jest widoczne tylko w próbce monokrystalicznej. Można je hodować w tym celu, nawet jeśli materiał jest potrzebny tylko w postaci polikrystalicznej .
W związku z tym badane są liczne nowe materiały w ich postaci monokrystalicznej. Młoda dziedzina struktur metalowo-organicznych (MOF) jest jedną z wielu, które kwalifikują się do posiadania monokryształów. W styczniu 2021 r. dr Dong i dr Feng wykazali, w jaki sposób policykliczne aromatyczne ligandy można zoptymalizować do wytwarzania dużych monokryształów 2D MOF o rozmiarach do 200 μm. Może to oznaczać, że naukowcy mogą wytwarzać urządzenia monokrystaliczne i określać wewnętrzne przewodnictwo elektryczne oraz mechanizm transportu ładunku.
Dziedzina transformacji fotodynamicznej może być również zaangażowana w monokryształy z czymś, co nazywa się transformacjami pojedynczego kryształu w pojedynczy kryształ (SCSC). Zapewniają one bezpośrednią obserwację ruchu molekularnego i zrozumienie szczegółów mechanistycznych. To fotoprzełączanie zostało również zaobserwowane w nowatorskich badaniach nad samoistnie niereagującymi na światło jednojądrzastych magnesów jednocząsteczkowych lantanowców (SMM).
Zobacz też
- Inżynierskie aspekty krystalizacji
- Krystalizacja frakcyjna
- Wzrost cokołu ogrzewany laserem
- Mikrociąganie
- Rekrystalizacja
- Kryształ nasion