Funktsionaalsed kristallmaterjalid

Valmistamismeetod

Sulamismeetod

Kristallide kasvatamine sulatisest on üks levinumaid ja olulisemaid meetodeid suurte üksikkristallide ja erikujuliste üksikkristallide valmistamiseks.

Enamik tänapäevastes tehnilistes rakendustes (nt elektroonikas ja optikas) vajalikke monokristallmaterjale valmistatakse sulamismeetoditega, näiteks monokristalli räni, GaAs (galliumnitriid), LiNbO3 (liitiumniobaat), Nd:YAG (neodüümiga legeeritud ütterbiumalumiinium). granaat), Al2O3 (valge vääriskivi) ja teatud leelismuldmetallid ja leelismuldmetallide halogeenitud ühendid jne.

Võrreldes teiste meetoditega on sulamiskasvu eelisteks tavaliselt kiire kasv ning kristallide kõrge puhtus ja terviklikkus. Lihtne kristallide kasvatamise põhimõte sulatusmeetodil on kristallide kasvatamise tooraine sulatamine ja selle tahkestamine teatud tingimustel monokristalliks. Tooraine sulatamine ja sulatise tahkumine on kaks peamist etappi.

Sulatus tuleb tahkuda suunatult kontrollitud tingimustes ja kasvuprotsess saavutatakse tahke-vedeliku liidese liikumisega. Kristallide kasvatamiseks sulatis peab süsteemi temperatuur olema tasakaalutemperatuurist madalam. Olek, milles süsteemi temperatuur on tasakaalutemperatuurist madalam, muutub alajahtumiseks.

Alajahutuse absoluutväärtus on alajahutuse aste, mis näitab süsteemi alajahutuse suurust. Alamjahutuse aste on sulatusmeetodil kristallide kasvu liikumapanev jõud. Teatud kristalse aine puhul on peamine tegur, mis määrab kristallide kasvukiiruse teatud alajahutuse astmel, kristalli ja sulatise vahelise temperatuurigradiendi suhteline suurus.

Tavalise temperatuuri lahustamise meetod

Kristallide kasvatamisel lahusest on pikim ajalugu ja seda kasutatakse laialdaselt. Selle meetodi põhiprintsiip on lahustada tooraine lahustunud aine lahustis ja võtta asjakohaseid meetmeid, et tekitada kristallide kasvatamise lahuse üleküllastus. Lahendusmeetodil on järgmised eelised:

1. Kristalle saab kasvatada temperatuuril, mis on tunduvalt madalam nende sulamistemperatuurist. On palju kristalle, mis lagunevad allpool oma sulamistemperatuuri või läbivad soovimatuid kristallograafilisi muutusi, ja mõnel on sulamisel kõrge aururõhk. Lahendus võimaldab neil kristallidel kasvada madalamal temperatuuril, vältides nii ülaltoodud probleeme. Lisaks on soojusallikat ja kasvuanumat kristallide madalal temperatuuril kasvamiseks lihtsam valida.

2. Vähendatud viskoossus. Mõned kristallid on sulas olekus väga viskoossed ega suuda kristalle moodustada ega muutuda jahutamisel klaasjaks.

3. seda on lihtne kasvatada suurteks ühtlasteks tervikliku kujuga kristallideks.

4. enamikul juhtudel on kristallide kasvuprotsess vahetult jälgitav, mis hõlbustab kristallide kasvu kineetika uurimist. Lahendusmeetodi puudusteks on komponentide rohkus, kristallide kasvu mõjutavate tegurite keerukus, aeglane kasvukiirus ja pikk periood (tavaliselt kulub selleks kümneid päevi või isegi üle aasta).

Lisaks nõuab lahuse meetod kristallide kasvatamiseks suurt täpsust temperatuuri reguleerimisel. Kristallide kasvu vajalik tingimus lahusmeetodil: lahuse kontsentratsioon on suurem kui sellel temperatuuril tasakaalukontsentratsioon ehk üleküllastusaste. Liikuv jõud on üleküllastuse aste.

Kõrgtemperatuurse lahuse meetod

Kõrgtemperatuuriline lahustamismeetod on oluline meetod kristallide kasvatamiseks ja oli üks varajases alkeemias kasutatud vahendeid. Kristallide kasvatamine lahusest või sula soolalahustist kõrgel temperatuuril võimaldab lahustunud aine faasil kasvada temperatuuril, mis on tunduvalt madalam selle sulamistemperatuurist. Sellel meetodil on teiste meetodite ees järgmised eelised:

1. tugev rakendatavus, niikaua kui leiate sobiva voo või voogude kombinatsiooni, saate kasvatada üksikuid kristalle.

2. palju tulekindlaid ühendeid ja sulamistemperatuur on väga lenduv või kõrge temperatuur, kui väärtuse või faasimuutusmaterjalide muutus, samuti sulaühendite mitteidentne koostis, ei saa otse sulamist kasvada või ei saa kasvada täielik kõrgekvaliteediline monokristall, räbusti meetod, mis on tingitud madala temperatuuri kasvust, mis näitab, et räbusti meetod näitab ainulaadset võimet madala kasvutemperatuuri tõttu.

Sulasoola meetodil kristallide valmistamise puudused:

aeglane kristallide kasv; ei ole lihtne jälgida; räbustid on sageli mürgised; väike kristalli suurus; vastastikune saastumine mitmekomponentsete räbustitega.

See meetod sobib järgmiste materjalide valmistamiseks:

(1) kõrge sulamistemperatuuriga materjalid;

(2) madalal temperatuuril faasisiirdega materjalid;

(3) komponendid, mille komponentides on kõrge aururõhk. Põhiprintsiip: kõrgtemperatuurse lahuse meetod on kristalliline materjal, mis on lahustatud sobivas voolus kõrge temperatuuri tingimustes lahuse moodustamiseks, ja selle põhiprintsiip on sama, mis toatemperatuuri lahuse meetodil. Küll aga on kõrgtemperatuurse lahuse meetodil kristallide kasvamise eelduseks voo valik ja lahuse faasisuhte määramine.

Füüsikalis-keemiline aurufaasi meetod

Kristallide kasvatamise nn gaasifaasi meetod seisneb selles, et kasvatatav kristallmaterjal muudetakse sublimatsiooni, aurustamise ja lagunemise teel gaasifaasiks ning seejärel muudetakse see sobivates tingimustes küllastunud auruks ja kasvatatakse kondensatsiooni teel kristallideks. kristalliseerumine. Kristallide kasvu omadused gaasifaasi meetodil on järgmised:

1. kasvanud kristallide kõrge puhtusastmega;

2. kasvanud kristallide hea terviklikkus;

3. kristallide aeglane kasvukiirus;

4. rida tegureid, mida on raske kontrollida, nagu temperatuurigradient, üleküllastuse suhe, kandevgaasi voolukiirus jne. Praegu kasutatakse gaasifaasi meetodit peamiselt vurrude ja epitaksiaalsete kilede (homogeensete ja heterogeenne epitaksia), samas kui suurte kristallide kasvul on oma puudused.

Aurufaasi meetodi võib jagada kahte põhitüüpi: Füüsiline

Aurssadestamine (PVD): polükristalliliste materjalide muundamine üksikkristallideks füüsilise ühinemise teel, nagu sublimatsioon-kondensatsioon, molekulaarkiirepitaksia ja katoodpihustus;

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD): polükristalliliste toorainete muundamine üksikkristallideks läbi gaasifaasi keemiliste protsesside abil, nagu keemilise transpordi meetod, gaasi lagundamise meetod, gaasi sünteesi meetod ja MOCVD meetod.