Materiales de cristal funcionales

Método de preparación

Método de fusión

El crecimiento de cristales a partir de masa fundida es uno de los métodos más comunes e importantes para preparar monocristales grandes y monocristales de formas específicas.

La mayoría de los materiales monocristalinos necesarios en aplicaciones técnicas modernas, como la electrónica y la óptica, se preparan mediante métodos de crecimiento en estado fundido, como el silicio monocristalino, GaAs (nitruro de galio), LiNbO3 (niobato de litio), Nd:YAG (aluminio iterbio dopado con neodimio). granate), Al2O3 (piedra preciosa blanca) y ciertos metales alcalinotérreos y compuestos halogenados de metales alcalinotérreos, etc.

En comparación con otros métodos, el crecimiento en estado fundido suele tener las ventajas de un crecimiento rápido y una alta pureza e integridad de los cristales. El principio simple del crecimiento de cristales mediante el método de fusión es fundir la materia prima para el crecimiento de cristales y solidificarla en un solo cristal bajo ciertas condiciones. La fusión de la materia prima y la solidificación de la masa fundida son los dos pasos principales.

La masa fundida debe solidificarse de manera direccional en condiciones controladas, y el proceso de crecimiento se logra mediante el movimiento de la interfaz sólido-líquido. Para que crezcan cristales en la masa fundida, la temperatura del sistema debe estar por debajo de la temperatura de equilibrio. El estado en el que la temperatura del sistema está por debajo de la temperatura de equilibrio se convierte en subenfriamiento.

El valor absoluto del subenfriamiento es el grado de subenfriamiento, que indica la magnitud del subenfriamiento del sistema. El grado de subenfriamiento es la fuerza impulsora del crecimiento de cristales en el método de fusión. Para una determinada sustancia cristalina, el factor principal que determina la tasa de crecimiento del cristal con un cierto grado de subenfriamiento es el tamaño relativo del gradiente de temperatura entre el cristal y la masa fundida.

Método de solución a temperatura normal

El crecimiento de cristales a partir de una solución tiene la historia más larga y se utiliza ampliamente. El principio básico de este método es disolver el soluto de la materia prima en un disolvente y tomar las medidas adecuadas para provocar un estado sobresaturado de la solución en la que crecen los cristales. El método de solución tiene las siguientes ventajas:

1. Los cristales pueden crecer a temperaturas muy por debajo de su punto de fusión. Hay muchos cristales que se descomponen por debajo de su punto de fusión o sufren transformaciones cristalográficas no deseadas, y algunos tienen alta presión de vapor al fundirse. La solución permite que estos cristales crezcan a una temperatura más baja, evitando así los problemas anteriores. Además, la fuente de calor y el recipiente de crecimiento para hacer que los cristales crezcan a bajas temperaturas son más fáciles de elegir.

2. Viscosidad reducida. Algunos cristales son muy viscosos en estado fundido y no pueden formar cristales y se vuelven vítreos cuando se enfrían.

3. Es fácil convertirse en cristales grandes y uniformes con una forma completa.

4. en la mayoría de los casos, el proceso de crecimiento de los cristales se puede observar directamente, lo que facilita el estudio de la cinética de crecimiento de los cristales. Las desventajas del método de solución son los numerosos componentes, la complejidad de los factores que afectan el crecimiento de los cristales, la lenta tasa de crecimiento y el largo período (generalmente toma decenas de días o incluso más de un año).

Además, el método de solución requiere una alta precisión en el control de la temperatura para el crecimiento de cristales. La condición necesaria para el crecimiento de cristales por el método de la solución: la concentración de la solución es mayor que la concentración de equilibrio a esa temperatura, es decir, el grado de sobresaturación. La fuerza impulsora es el grado de sobresaturación.

Método de solución a alta temperatura

El método de solución a alta temperatura es un método importante para hacer crecer cristales y fue uno de los medios utilizados en la alquimia temprana. El crecimiento de cristales a partir de una solución o un disolvente de sal fundida a altas temperaturas permite que la fase de soluto crezca a temperaturas muy por debajo de su punto de fusión. Este método tiene las siguientes ventajas sobre otros métodos:

1. Gran aplicabilidad: siempre que pueda encontrar el fundente o la combinación de fundentes adecuados, podrá cultivar monocristales.

2. Muchos compuestos refractarios y en el punto de fusión son muy volátiles o de alta temperatura cuando el cambio de valor o cambio de fase de los materiales, así como la composición no idéntica de los compuestos fundidos, no pueden crecer directamente de la masa fundida o no pueden crecer. Un método de flujo de monocristales completo de alta calidad debido al crecimiento a baja temperatura, que muestra que el método de flujo muestra una capacidad única debido a la baja temperatura de crecimiento.

Desventajas de la preparación de cristales mediante el método de sales fundidas:

crecimiento lento de cristales; no es fácil de observar; los fundentes suelen ser tóxicos; tamaño de cristal pequeño; Contaminación mutua por fundentes multicomponentes.

Este método es adecuado para la preparación de los siguientes materiales:

(1) materiales con alto punto de fusión;

(2) materiales con transición de fase a baja temperatura;

(3) componentes con alta presión de vapor en los componentes. Principio básico: el método de solución a alta temperatura es un material cristalino disuelto en un fundente adecuado en condiciones de alta temperatura para formar una solución, y su principio básico es el mismo que el del método de solución a temperatura ambiente. Sin embargo, la elección del flujo y la determinación de la relación de fases de la solución es un requisito previo para el crecimiento de cristales en el método de solución a alta temperatura.

Método físico-químico en fase de vapor.

El llamado método en fase gaseosa para el crecimiento de cristales consiste en convertir el material cristalino que se va a cultivar en fase gaseosa mediante el proceso de sublimación, evaporación y descomposición, y luego convertirlo en vapor saturado a través de las condiciones apropiadas y crecer hasta convertirse en cristal por condensación y cristalización. Las características del crecimiento de cristales por el método en fase gaseosa son:

1. alta pureza de los cristales crecidos;

2. buena integridad de los cristales crecidos;

3. lenta tasa de crecimiento de los cristales;

4. una serie de factores que son difíciles de controlar, como el gradiente de temperatura, la relación de sobresaturación, el caudal del gas portador, etc. Actualmente, el método en fase gaseosa se utiliza principalmente para el crecimiento de bigotes y el crecimiento de películas epitaxiales (homogéneas y epitaxia heterogénea), mientras que el crecimiento de cristales masivos de gran tamaño tiene sus desventajas.

El método en fase de vapor se puede dividir en dos tipos principales: Físico

Deposición de vapor (PVD): la transformación de materiales policristalinos en monocristales mediante coalescencia física, como sublimación-condensación, epitaxia de haz molecular y pulverización catódica;

Deposición química de vapor (CVD): Transformación de materias primas policristalinas en monocristales a través de la fase gaseosa mediante procesos químicos, como el método de transporte químico, el método de descomposición de gas, el método de síntesis de gas y el método MOCVD.