Materials de cristall funcionals

Mètode de preparació

Mètode de fusió

El creixement de cristalls a partir de la fusió és un dels mètodes més comuns i importants per preparar cristalls simples grans i cristalls individuals de formes específiques.

La majoria dels materials monocristalls necessaris en aplicacions tècniques modernes, com ara l'electrònica i l'òptica, es preparen mitjançant mètodes de creixement en fusió, com ara silici monocristal, GaAs (nitrur de gal·li), LiNbO3 (niobat de liti), Nd:YAG (itterbi alumini dopat amb neodimi). granat), Al2O3 (pedra preciosa blanca) i certs metalls alcalinotèrres i compostos halogenats de metalls alcalinotèrres, etc.

En comparació amb altres mètodes, el creixement de la fosa sol tenir els avantatges d'un creixement ràpid i una gran puresa i integritat dels cristalls. El principi simple del creixement del cristall mitjançant el mètode de fusió és fondre la matèria primera per al creixement del cristall i solidificar-la en un únic cristall sota determinades condicions. La fusió de la matèria primera i la solidificació de la fosa són les dues etapes principals.

La fusió s'ha de solidificar de manera direccional en condicions controlades i el procés de creixement s'aconsegueix pel moviment de la interfície sòlid-líquid. Per fer créixer cristalls a la fosa, la temperatura del sistema ha d'estar per sota de la temperatura d'equilibri. L'estat en què la temperatura del sistema està per sota de la temperatura d'equilibri es converteix en subrefrigerament.

El valor absolut del subrefrigerament és el grau de subrefrigeració, que indica la magnitud del subrefrigerament del sistema. El grau de subrefredament és la força impulsora del creixement del cristall en el mètode de fusió. Per a una determinada substància cristal·lina, el principal factor que determina la velocitat de creixement del cristall a un cert grau de subrefredament és la mida relativa del gradient de temperatura entre el cristall i la fusió.

Mètode de solució a temperatura normal

El creixement de cristalls a partir de la solució té la història més llarga i s'utilitza àmpliament. El principi bàsic d'aquest mètode és dissoldre el solut de matèria primera en un dissolvent i prendre les mesures adequades per provocar un estat sobresaturat de la solució en què creixen els cristalls. El mètode de solució té els següents avantatges:

1. Els cristalls es poden cultivar a temperatures molt per sota del seu punt de fusió. Hi ha molts cristalls que es descomponen per sota del seu punt de fusió o que pateixen transformacions cristal·logràfiques no desitjades, i alguns tenen una pressió de vapor elevada quan es fonen. La solució permet que aquests cristalls creixin a una temperatura més baixa, evitant així els problemes anteriors. A més, és més fàcil triar la font de calor i el recipient de creixement per fer créixer els cristalls a baixes temperatures.

2. Viscositat reduïda. Alguns cristalls són molt viscosos en estat fos i no poden formar cristalls i es tornen vidris quan es refreden.

3. és fàcil de créixer en cristalls grans i uniformes amb una forma completa.

4. en la majoria dels casos, el procés de creixement del cristall es pot observar directament, la qual cosa facilita l'estudi de la cinètica del creixement del cristall. Els inconvenients del mètode de solució són els molts components, la complexitat dels factors que afecten el creixement del cristall, la velocitat de creixement lenta i el llarg període (generalment triga desenes de dies o fins i tot més d'un any).

A més, el mètode de solució requereix una alta precisió en el control de la temperatura per al creixement dels cristalls. Condició necessària per al creixement del cristall pel mètode de la solució: la concentració de la solució és superior a la concentració d'equilibri a aquesta temperatura, és a dir, el grau de sobresaturació. La força motriu és el grau de sobresaturació.

Mètode de solució a alta temperatura

El mètode de solució a alta temperatura és un mètode important per fer créixer cristalls i va ser un dels mitjans utilitzats en l'alquímia primerenca. El creixement de cristalls a partir d'una solució o un dissolvent de sal fosa a altes temperatures permet que la fase de solut creixi a temperatures molt per sota del seu punt de fusió. Aquest mètode té els següents avantatges respecte a altres mètodes:

1. Forta aplicabilitat, sempre que pugueu trobar el flux adequat o la combinació de fluxos, podeu fer créixer cristalls únics.

2. molts compostos refractaris i en el punt de fusió és molt volàtil o d'alta temperatura quan el canvi de valor o els materials de canvi de fase, així com la composició no idèntica dels compostos fosos, no pot ser directament de la fusió per créixer o no pot créixer un mètode de flux complet de cristalls simples d'alta qualitat a causa del creixement d'una temperatura baixa, que mostra el mètode de flux mostra una capacitat única a causa de la baixa temperatura de creixement.

Desavantatges de la preparació de cristalls pel mètode de sal fosa:

creixement lent de cristalls; no és fàcil d'observar; els fluxos sovint són tòxics; petita mida de cristall; contaminació mútua per fluxos multicomponent.

Aquest mètode és adequat per a la preparació dels següents materials:

(1) materials amb alt punt de fusió;

(2) materials amb transició de fase a baixa temperatura;

(3) components amb alta pressió de vapor als components. Principi bàsic: el mètode de solució a alta temperatura és un material cristal·lí dissolt en un flux adequat en condicions d'alta temperatura per formar una solució, i el seu principi bàsic és el mateix que el mètode de solució a temperatura ambient. Tanmateix, l'elecció del flux i la determinació de la relació de fase de la solució és un requisit previ per al creixement de cristalls en el mètode de solució d'alta temperatura.

Mètode fisicoquímic en fase de vapor

L'anomenat mètode en fase gasosa per al creixement del cristall consisteix a convertir el material cristal·lí que s'ha de fer créixer en fase gasosa mitjançant el procés de sublimació, evaporació i descomposició, i després convertir-lo en vapor saturat en condicions adequades i convertir-lo en cristall per condensació i cristal·lització. Les característiques del creixement de cristalls pel mètode de la fase gasosa són:

1. alta puresa dels cristalls cultivats;

2. bona integritat dels cristalls cultivats;

3. lent creixement dels cristalls;

4. una sèrie de factors que són difícils de controlar, com ara el gradient de temperatura, la relació de sobresaturació, el cabal del gas que transporta, etc. Actualment, el mètode de la fase gasosa s'utilitza principalment per al creixement de bigotis i el creixement de pel·lícules epitaxials (homogènies i epitaxia heterogènia), mentre que el creixement de cristalls a granel de gran mida té els seus desavantatges.

El mètode de la fase de vapor es pot dividir en dos tipus principals: Físic

Deposició de vapor (PVD): la transformació de materials policristalins en cristalls senzills per coalescència física, com ara sublimació-condensació, epitaxia de feix molecular i sputtering catòdic;

Deposició de vapor químic (CVD): Transformació de matèries primeres policristalines en cristalls simples mitjançant la fase gasosa mitjançant processos químics, com el mètode de transport químic, el mètode de descomposició de gas, el mètode de síntesi de gas i el mètode MOCVD.