Монокристал

Во науката за материјали, монокристал (или монокристално цврсто тело) е материјал во кој кристалната решетка на целиот примерок е постојана и непрекината до рабовите на примерокот, без зрнаста граница. Отсуството на дефекти поврзани со границите на зрната може да им даде на монокристалите уникатни својства, особено механички, оптички и електрични, кои исто така можат да бидат анизотропни, во зависност од видот на кристалографската структура. Овие својства, покрај тоа што ги прават некои скапоцени камења скапоцени, се употребуваат индустриски во технолошки потреби, особено во оптиката и електрониката.
Бидејќи ентропските ефекти фаворизираат присуство на некои несовршености во микроструктурата на цврстите тела, како што се примеси, нехомогена напнатост и кристалографски дефекти како што се дислокации, совршените монокристали со значајна големина се исклучително ретки по природа. Потребните лабораториски услови често ги зголемуваат трошоците за производство. Од друга страна, несовршените монокристали можат да достигнат огромни големини во природата: познато е дека неколку минерални видови како што се берил, гипс и фелдспати произвеле кристали со пречник од неколку метри.
Спротивноста на монокристалот е аморфна структура каде што атомската местоположба е ограничена само на краток ред. Помеѓу двете крајности постои ''поликристален'', кој е составен од голем број помали кристали познати како ''кристалити'', и ''паракристални'' фази. Монокристалите обично имаат карактеристични рамнински површини и одредена симетрија, каде што аглите меѓу површините ќе ја диктираат нивната идеална форма. Скапоцените камења често се монокристали вештачки исечени по кристалографските рамнини за да се искористат прекршувачките и рефлектирачките својства.
1 Методи на производство
Иако денешните методи се исклучително софистицирани со современа технологија, потеклото на растот на кристалите може да се проследи до прочистувањето на солта со кристализација во 2500 година п.н.е. Понапреден метод со употреба на воден раствор започнал во 1600 година од нашата ера, додека методите со топење и пареа започнале околу 1850 година од нашата ера.
Основните методи за раст на кристали можат да се поделат во четири категории врз основа на тоа од што се вештачки одгледувани: стопена, цврста, пареа и растворна. Специфичните техники за производство на големи монокристали (познати како були) вклучуваат Чохралски процес (CZ), лебдечка зона (или движење на зоната) и Бриџманова техника. Д-р Тил и д-р Литл од лабораториите „Бел Телефон“ биле првите што го користеле Чохралски методот за да создадат монокристали од Ge и Si. Може да се користат и други методи на кристализација, во зависност од физичките својства на супстанцијата, вклучувајќи хидротермална синтеза, сублимација или едноставно кристализација базирана на растворувач. На пример, модифициран Киропулосов процес може да се користи за одгледување висококвалитетни 300 кг монокристали од сафир. Вернеовиот метод, исто така наречен метод на пламенско топење, се користел во раните 1900-ти за производство на рубини пред CZ. Дијаграмот од десно ги прикажува повеќето конвенционални методи. Имало нови откритија како што се хемиските гасово таложење (CVD), заедно со различни варијации и измени на постојните методи. Тие не се прикажани на дијаграмот.
Во случај на метални монокристали, техниките на изработка вклучуваат и епитаксија и абнормален раст на зрна во цврсти материи. Епитаксијата се употребува за таложење на многу тенки (од микрометар до нанометарска скала) слоеви од ист или различен материјал на површината на постоечки монокристал. Примените на оваа техника се наоѓаат во областите на производство на полупроводници, со потенцијални употреби во други нанотехнолошки области и катализа.
Исклучително е тешко да се одгледуваат монокристали од полимери. Тоа е главно поради тоа што полимерните ланци се со различна должина и поради различните ентрописки причини. Сепак, топохемиските реакции се еден од најлесните методи за добивање монокристали од полимерот.
2 Употреба
2.1 Полупроводничка индустрија
Еден од најчесто употребуваните монокристали е оној на силициум во полупроводничката индустрија. Четирите главни методи на производство на полупроводнички монокристали се од метални раствори: течна фазна епитаксија (ТФЕ), течна фазна електроепитаксија (ТФЕЕ), метод на патувачки грејач (МПГ) и течна фазна дифузија (ТФД). Сепак, постојат многу други монокристали покрај неорганските монокристали способни за полуспроводливост, вклучувајќи монокристални органски полупроводници.
Монокристалниот силициум кој се потребува во производството на полупроводници и фотоволтаици е најголемата употреба на монокристалната технологија денес. Кај фотоволтаиците, најефикасната кристална структура ќе даде највисока конверзија на светлина во електрична енергија. На квантната скала на која работат микропроцесорите, присуството на зрнови граници би имало значително влијание врз функционалноста на транзисторите со ефект на поле со менување на локалните електрични својства. Затоа, производителите на микропроцесори инвестирале многу во објекти за производство на големи монокристали на силициум. Чохралскиот метод и лебдечката зона се популарни методи за раст на силициумски кристали.
Други неоргански полупроводнички монокристали вклучуваат GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe и ZnTe. Поголемиот дел од нив можат да се подесат и со разни допингувања за посакуваните својства. Монокристалниот графен е исто така многу посакуван за употреба во електрониката и оптоелектрониката со неговата голема електронска мобилност и висока топлинска спроводливост, и останува тема на жестоко истражување. Еден од главните предизвици е одгледувањето униформни монокристали од двослоен или повеќеслоен графен на големи површини; епитаксијалниот раст и новиот CVD (споменат погоре) се меѓу новите ветувачки методи кои се истражуваат.
Органските полупроводнички монокристали се разликуваат од неорганските кристали. Слабите меѓумолекуларни врски значат пониски температури на топење и повисок притисок на пареа и поголема растворливост. За раст на монокристалите е клучна чистотата на материјалот, а производството на органски материјали обично бара многу чекори за да се постигне потребната чистота. Се спроведуваат голем број на истражувања за да се бараат материјали кои се термички стабилни со висока подвижност на носителите на полнеж. Минатите откритија вклучуваат нафталин, тетрацен и 9,10-дифенилантацен (DPA). Дериватите на трифениламин покажале ветување, а неодамна во 2021 година, монокристалната структура на α-фенил-4′-(дифениламино)стилбен (TPA) одгледувана со метод на раствор покажала уште поголем потенцијал за употреба на полупроводници со неговото анизотропно својство на транспорт на дупки.
2.2 Оптичка примена
Монокристалите имаат уникатни физички својства поради тоа што се едно зрно со молекули во строг редослед и без граници на зрната. Ова ги вклучува оптичките својства, а монокристалите на силициум се користат и како оптички прозорци поради нивната проѕирност на специфични инфрацрвени (IR) бранови должини, што ги прави многу употребливи за некои инструменти.
Сафири: исто така познати како алфа фаза на алуминиум оксид (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) за научниците, монокристалите на сафирот се широко употребувани во високотехнолошкиот инженеринг. Може да се одгледува од гасовити, цврсти или растворени фази. Пречникот на кристалите што произлегуваат од методот на раст е важен кога се разгледуваат по електронските употреби. Тие се користат за ласери и нелинеарна оптика. Некои значајни употреби се како во прозорецот на биометрискиот читач на отпечатоци од прсти, оптички дискови за долгорочно складирање на податоци и интерферометар на Х-зраци.
Индиум фосфид: овие монокристали се особено соодветни за комбинирање на оптоелектроника со електроника со голема брзина во форма на оптичко влакно со неговите супстрати со голем пречник. Други фотонски уреди вклучуваат ласери, фотодетектори, фотодиоди за лавина, оптички модулатори и засилувачи, обработка на сигнали и оптоелектронски и фотонски интегрирани кола.
Германиум: станал првиот материјал во првиот транзистор измислен од Бардин, Братејн и Шокли во 1947 година. Се употребува во некои детектори за гама-зраци и инфрацрвена оптика. Денес станал фокус на ултрабрзи електронски уреди поради неговата внатрешна мобилност на носителите.
Арсенид: арсенид III може да се комбинира со разни елементи како што се B, Al, Ga и In, при што соединението GaAs е многу барано за производство на плочки.
Кадмиум телурид: Кристалите од CdTe имаат неколку примени како супстрати за инфрацрвено снимање, електрооптички уреди и сончеви ќелии. Со легирање на CdTe и ZnTe заедно, може да се направат детектори за рендгенски и гама-зраци на собна температура.
2.3 Електрични спроводници
Металите можат да се произведат во монокристална форма и да станал средство за разбирање на крајните перформанси на металните спроводници. Тоа е од витално значење за разбирање на основните науки како што се каталитичката хемија, површинската физика, електроните и монохроматорите. Производството на метални монокристали има највисоки барања за квалитет и се одгледуваат, или се влечат, во форма на прачки. Одредени компании можат да произведуваат специфични геометрии, жлебови, дупки и референтни површини заедно со различни пречници.
Од сите метални елементи, среброто и бакарот имаат најдобра спроводливост на собна температура. Големината на пазарот и варијациите во понудата и цената, обезбедиле силни стимулации за барање алтернативи или наоѓање начини за нивно помалку користење преку подобрување на перформансите.
Спроводливоста на комерцијалните спроводници често се изразува во однос на Меѓународен стандард за жарено бакарно масло, според кој најчистата бакарна жица достапна во 1914 година изнесувала околу 100%. Најчистата современа бакарна жица е подобар спроводник, со мерење од над 103% на оваа скала. Добивките се од два извори. Прво, модерниот бакар е почист. Сепак, овој пат за подобрување се смета дека е завршен. Почистувањето на бакарот сè уште не носи значително подобрување. Второ, жарењето и другите процеси се подобрени. Жарењето ги намалува дислокациите и другите кристални дефекти кои се извори на отпор. Но, добиените жици се сè уште поликристални. Границите на зрната и преостанатите кристални дефекти се одговорни за одреден преостанат отпор. Ова може да се квантифицира и подобро да се разбере со испитување на монокристали.
Еднокристалниот бакар се покажал дека има подобра спроводливост од поликристалниот бакар.
+Електричен отпор ρ за материјали од сребро (Ag) / бакар (Cu) на собна температура (293 K) , Материјал, ρ (μΩ∙cm), ИАКС
Еднокристален Ag, допиран со 3 mol% Cu, 1,35, 127%
Еднокристален Cu, дополнително обработен , 1.472, 117,1%
Еднокристален Ag, 1,49, 115,4%
Еднокристален Cu, 1,52, 113,4%
Ag жица со висока чистота (поликристална), 1,59, 108%
Cu жица со висока чистота (поликристална), 1,67, ˃ 103%
Сепак, монокристалниот бакар не само што станал подобар спроводник од поликристалното сребро со висока чистота, туку со пропишана топлинска и притисочна обработка можел да го надмине дури и монокристалното сребро. Иако примесите обично се лоши за спроводливоста, монокристалот од сребро со мала количина на замени на бакар се покажал како најдобар.
Од 2009 година, не се произведува монокристален бакар во голем индустриски обем, но методите за производство на многу големи индивидуални кристали за бакарни спроводници се употребуваат за високо-перформансни електрични апликации. Овие може да се сметаат за мета-монокристали со неколку кристали на метар должина.
2.4 Еднокристални турбински лопатки
Иако отсуството на граници на зрната ја намалува границата на истегнување, ова се компензира преку намалување на топлинско ползење, што ги прави монокристалните цврсти материи идеални за употреба на делови со висока температура и блиска толеранција, како што се лопатките на турбините. Истражувачот Бери Пиарси открил дека свиткувањето под прав агол на калапот за леење ќе го намали бројот на столбовидни кристали, а подоцна, научникот Џамеј го искористил ова за да ја започне монокристалната структура на лопатката.
3 Во истражувањето
Монокристалите се неопходни во истражувањето, особено во физиката на кондензирана материја и сите аспекти на науката за материјали, како што е науката за површини. Деталното проучување на кристалната структура на материјалот со техники како што се Брагова дифракција и хелиумско расејување на атоми е полесно со монокристали бидејќи е можно да се проучи насочната зависност на различни својства и да се спореди со теоретските предвидувања. Понатаму, техниките за макроскопско усреднување, како што се фотоемисиона спектроскопија со аголна резолуција или дифракција на електрони со ниска енергија, се можни или значајни само на површините на монокристалите. Монокристалите се дополнително погодни за истражување на својствата карактеристични на материјалот со употреба на техники чувствителни на површина, бидејќи тие се многу помалку засегнати од методите на подготовка. Во суперспроводливоста има случаи на материјали каде што суперспроводливоста се гледа само во монокристален примерок. Тие може да се одгледуваат за оваа намена, дури и кога материјалот е потребен само во поликристална форма.
Како такви, се изучуваат бројни нови материјали во нивната монокристална форма. Младата област на метално-органски рамки (МОР) е една од неколкуте кои се квалификуваат за монокристали. Во јануари 2021 година, д-р Донг и д-р Фенг демонстрирале како полицикличните ароматични лиганди можат да се оптимизираат за да се произведат големи 2D МОР монокристали со големини до 200 μm. Ова би можело да значи дека научниците можат да произведуваат монокристални уреди и да ја одредат внатрешната електрична спроводливост и механизмот за транспорт на полнеж.
Областа на фотоуправуваната преобразба може да биде вклучена и во монокристали со нешто што се нарекува преобразби од монокристал во монокристал. Овие овозможуваат директно набљудување на молекуларното движење и разбирање на механистичките детали. Ова однесување на фотопрефрлување е забележано и во најсовремените истражувања на интринзично нефотореактивни мононуклеарни лантанидни магнети со мономолекули.
4 По обработка на монокристали
Монокристалите кои се користат во полупроводниците, оптиката и керамиката често мора да се обработуваат машински или да се сечат во плочки, призми или други прецизни компоненти. Поради нивната тврдост и кршливост, овие материјали бараат специјализирани техники на сечење кои ги минимизираат оштетувањата под површината и губењето на засекот.
Сечење со внатрешен пречник (ID) е конвенционален метод, каде што тенко кружно сечило вградено во дијамантски абразиви го сече кристалот. Ова обезбедува добра димензионална точност, но е ограничено од цврстината на сечилото и максималната длабочина на сечење.
Сечењето со повеќе жици, кое употребува долги дијамантски жици кои се движат реципрочно, станало познат процес за силиконски и сафирни плочки. Овозможува истовремено сечење на повеќе плочки од една ингота, но движењето напред-назад може да предизвика вибрации и абење на жицата, што доведува до површински траги и променлива напнатост.
Бесконечното сечење со дијамантска жица претставува понов пристап. Жицата формира постојана затворена јамка, обично долга неколку метри, која се протега во една насока со високи линеарни брзини (околу 60-80 m/s). Бидејќи затегнатоста и движењето на жицата се стабилни, процесот може да постигне помазни површини, помали ширини на засекот и подолг век на траење на алатот. Се применува за сечење тврди и кршливи монокристални материјали како што се силициум, сафир и напредна керамика.
Други техники, вклучувајќи ласерско сечење, ултразвучна обработка и полирање со јонски зрак или хемиско-механичко полирање, се користат за фази на завршна обработка или микрофабрикација, особено кога е потребен квалитет на површината со оптички квалитет.