Funkční krystalové materiály

Metoda přípravy

Metoda tavení

Růst krystalů z taveniny je jednou z nejběžnějších a nejdůležitějších metod přípravy velkých monokrystalů a monokrystalů specifických tvarů.

Většina monokrystalických materiálů potřebných v moderních technických aplikacích, jako je elektronika a optika, se připravuje metodami růstu taveniny, jako je monokrystalický křemík, GaAs (nitrid gallia), LiNbO3 (niobát lithný), Nd:YAG (ytterbiový hliník dopovaný neodymem granát), Al2O3 (bílý drahokam) a některé kovy alkalických zemin a halogenované sloučeniny kovů alkalických zemin atd.

Ve srovnání s jinými metodami má růst taveniny obvykle výhody rychlého růstu a vysoké čistoty a integrity krystalů. Jednoduchým principem růstu krystalů tavnou metodou je roztavení suroviny pro růst krystalů a její ztuhnutí na monokrystal za určitých podmínek. Tavení suroviny a tuhnutí taveniny jsou dva hlavní kroky.

Tavenina musí tuhnout řízeným způsobem za řízených podmínek a proces růstu se provádí pohybem rozhraní pevná látka-kapalina. Pro růst krystalů v tavenině musí být teplota systému pod rovnovážnou teplotou. Stav, kdy je teplota systému pod rovnovážnou teplotou, se stává podchlazením.

Absolutní hodnotou podchlazení je stupeň podchlazení, který udává velikost podchlazení systému. Stupeň podchlazení je hnací silou pro růst krystalů v tavné metodě. Pro určitou krystalickou látku je hlavním faktorem, který určuje rychlost růstu krystalu při určitém stupni podchlazení, relativní velikost teplotního gradientu mezi krystalem a taveninou.

Metoda roztoku za normální teploty

Růst krystalů z roztoku má nejdelší historii a je široce používán. Základním principem této metody je rozpuštění rozpuštěné suroviny v rozpouštědle a přijetí vhodných opatření k vyvolání přesyceného stavu roztoku, ve kterém krystaly rostou. Metoda řešení má následující výhody:

1. Krystaly lze pěstovat při teplotách hluboko pod jejich bodem tání. Existuje mnoho krystalů, které se rozkládají pod svou teplotou tání nebo procházejí nežádoucími krystalografickými přeměnami a některé mají při tání vysoký tlak par. Řešení umožňuje těmto krystalům růst při nižší teplotě, čímž se zabrání výše uvedeným problémům. Kromě toho je jednodušší vybrat zdroj tepla a růstovou nádobu pro růst krystalů při nízkých teplotách.

2. Snížená viskozita. Některé krystaly jsou v roztaveném stavu velmi viskózní a při ochlazení nemohou tvořit krystaly a zesklovatět.

3. snadno se rozrůstá do velkých jednotných krystalů s uceleným tvarem.

4. ve většině případů lze přímo pozorovat proces růstu krystalů, což usnadňuje studium kinetiky růstu krystalů. Nevýhodou metody řešení je mnoho komponent, složitost faktorů ovlivňujících růst krystalů, pomalá rychlost růstu a dlouhá doba (obvykle to trvá desítky dní nebo i více než rok).

Kromě toho metoda v roztoku vyžaduje vysokou přesnost řízení teploty pro růst krystalů. Nutná podmínka pro růst krystalů roztokovou metodou: koncentrace roztoku je větší než rovnovážná koncentrace při dané teplotě, tedy stupeň přesycení. Hnací silou je míra přesycení.

Metoda vysokoteplotního roztoku

Metoda vysokoteplotního roztoku je důležitou metodou pro pěstování krystalů a byla jedním z prostředků používaných v rané alchymii. Rostoucí krystaly z roztoku nebo roztaveného solného rozpouštědla při vysokých teplotách umožňuje rozpuštěné fázi růst při teplotách hluboko pod bodem tání. Tato metoda má oproti jiným metodám následující výhody:

1. silná použitelnost, pokud najdete vhodný tok nebo kombinaci toků, můžete pěstovat monokrystaly.

2. mnoho žáruvzdorných sloučenin a teplota tání je velmi těkavá nebo vysoká teplota, když změna hodnoty nebo změna fáze materiálů, stejně jako neidentické složení roztavených sloučenin, nemohou přímo z taveniny růst nebo nemohou růst kompletní vysoce kvalitní monokrystaly, metoda toku díky růstu nízké teploty, ukazující metoda Flux vykazuje jedinečnou schopnost díky nízké teplotě růstu.

Nevýhody přípravy krystalů metodou roztavené soli:

pomalý růst krystalů; není snadné pozorovat; tavidla jsou často toxická; malá velikost krystalů; vzájemné znečištění vícesložkovými tavidly.

Tato metoda je vhodná pro přípravu následujících materiálů:

(1) materiály s vysokým bodem tání;

(2) materiály s fázovým přechodem při nízké teplotě;

(3) součásti s vysokým tlakem par v součástech. Základní princip: Metoda vysokoteplotního roztoku je krystalický materiál rozpuštěný ve vhodném toku za podmínek vysoké teploty za vzniku roztoku a její základní princip je stejný jako u metody rozpouštění při pokojové teplotě. Předpokladem pro růst krystalů při vysokoteplotní metodě roztoku je však volba toku a stanovení fázového vztahu roztoku.

Fyzikálně-chemická metoda v plynné fázi

Takzvaná metoda růstu krystalů v plynné fázi spočívá v přeměně krystalického materiálu, který má růst, na plynnou fázi prostřednictvím procesu sublimace, odpařování a rozkladu, a poté se z něj za vhodných podmínek stane nasycená pára a kondenzací a růstem na krystaly. krystalizace. Charakteristiky růstu krystalů metodou plynné fáze jsou:

1. vysoká čistota vypěstovaných krystalů;

2. dobrá integrita vyrostlých krystalů;

3. pomalá rychlost růstu krystalů;

4. řada těžko ovladatelných faktorů, jako je teplotní gradient, poměr přesycení, průtok nosného plynu atd. V současné době se metoda v plynné fázi používá hlavně pro růst whiskerů a růst epitaxních filmů (homogenních a heterogenní epitaxe), zatímco růst velkých objemových krystalů má své nevýhody.

Metodu v plynné fázi lze rozdělit na dva hlavní typy: Fyzikální

Vapour Deposition (PVD): přeměna polykrystalických materiálů na monokrystaly fyzikální koalescencí, jako je sublimace-kondenzace, epitaxe molekulárního paprsku a katodické naprašování;

Chemická depozice z plynné fáze (CVD): Transformace polykrystalických surovin na monokrystaly prostřednictvím plynné fáze chemickými procesy, jako je metoda chemického transportu, metoda rozkladu plynu, metoda syntézy plynu a metoda MOCVD.