Functionele kristalmaterialen

Voorbereidingsmethode

Smelt methode

Het laten groeien van kristallen uit gesmolten materiaal is een van de meest voorkomende en belangrijkste methoden voor het bereiden van grote monokristallen en monokristallen met een specifieke vorm.

De meeste monokristallijne materialen die nodig zijn in moderne technische toepassingen zoals elektronica en optica, worden bereid met behulp van smeltgroeimethoden, bijvoorbeeld monokristallijn silicium, GaAs (galliumnitride), LiNbO3 (lithiumniobaat), Nd:YAG (neodymium-gedoteerd ytterbium-aluminiumgranaat), Al2O3 (witte edelsteen) en bepaalde aardalkalimetalen en gehalogeneerde verbindingen van aardalkalimetalen, enz.

Vergeleken met andere methoden biedt smeltgroei doorgaans de voordelen van snelle groei en een hoge zuiverheid en integriteit van de kristallen. Het eenvoudige principe van kristalgroei via de smeltmethode is het smelten van de grondstof voor kristalgroei en het stollen ervan tot een enkel kristal onder bepaalde omstandigheden. Het smelten van de grondstof en het stollen van de smelt zijn de twee belangrijkste stappen.

De smelt moet onder gecontroleerde omstandigheden gericht stollen, en het groeiproces vindt plaats door de beweging van het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof. Om kristallen in de smelt te laten groeien, moet de temperatuur van het systeem lager zijn dan de evenwichtstemperatuur. De toestand waarin de systeemtemperatuur lager is dan de evenwichtstemperatuur, wordt subkoeling genoemd.

De absolute waarde van onderkoeling is de mate van onderkoeling, die de omvang van de onderkoeling van het systeem aangeeft. De mate van onderkoeling is de drijvende kracht achter kristalgroei in de smeltmethode. Voor een bepaalde kristallijne substantie is de relatieve grootte van de temperatuurgradiënt tussen het kristal en de smelt de belangrijkste factor die de kristalgroeisnelheid bij een bepaalde mate van onderkoeling bepaalt.

Oplossingsmethode bij normale temperatuur

De groei van kristallen uit oplossing heeft de langste geschiedenis en wordt veel gebruikt. Het basisprincipe van deze methode is het oplossen van de opgeloste grondstof in een oplosmiddel en het nemen van passende maatregelen om een ​​oververzadigde toestand te creëren in de oplossing waarin de kristallen groeien. De oplossingsmethode heeft de volgende voordelen:

1. Kristallen kunnen groeien bij temperaturen ver onder hun smeltpunt. Er zijn veel kristallen die ontbinden onder hun smeltpunt of ongewenste kristallografische transformaties ondergaan, en sommige hebben een hoge dampspanning bij het smelten. De oplossing zorgt ervoor dat deze kristallen bij een lagere temperatuur kunnen groeien, waardoor bovengenoemde problemen worden vermeden. Bovendien zijn de warmtebron en het kweekvat voor het laten groeien van kristallen bij lage temperaturen gemakkelijker te kiezen.

2. Verminderde viscositeit. Sommige kristallen zijn zeer viskeus in gesmolten toestand en kunnen geen kristallen vormen en worden glazig wanneer ze afkoelen.

3. Het is gemakkelijk om er grote, uniforme kristallen met een complete vorm uit te laten groeien.

4. In de meeste gevallen kan het kristalgroeiproces direct worden waargenomen, wat de studie van de kristalgroeikinetiek vergemakkelijkt. De nadelen van de oplossingsmethode zijn de vele componenten, de complexiteit van de factoren die de kristalgroei beïnvloeden, de lage groeisnelheid en de lange periode (meestal duurt het tientallen dagen of zelfs meer dan een jaar).

Bovendien vereist de oplossingsmethode een hoge precisie in temperatuurregeling voor kristalgroei. De noodzakelijke voorwaarde voor kristalgroei met de oplossingsmethode: de concentratie van de oplossing is groter dan de evenwichtsconcentratie bij die temperatuur, d.w.z. de oververzadigingsgraad. De drijvende kracht is de oververzadigingsgraad.

Hoge-temperatuuroplossingmethode

De hogetemperatuuroplossingmethode is een belangrijke methode voor het kweken van kristallen en was een van de methoden die in de vroege alchemie werden gebruikt. Door kristallen te laten groeien vanuit een oplossing of een gesmolten zoutoplosmiddel bij hoge temperaturen, kan de opgeloste fase groeien bij temperaturen ver onder het smeltpunt. Deze methode heeft de volgende voordelen ten opzichte van andere methoden:

1. Sterke toepasbaarheid: zolang je de juiste vloeimiddel of combinatie van vloeimiddelen kunt vinden, kun je monokristallen kweken.

2. veel vuurvaste verbindingen en het smeltpunt is zeer vluchtig of hoge temperatuur wanneer de verandering in waarde of faseovergang materialen, evenals niet-identieke samenstelling van gesmolten verbindingen, kunnen niet rechtstreeks van de smelt groeien of kunnen niet groeien een volledige hoge kwaliteit monokristallen, flux methode als gevolg van de groei van een lage temperatuur, wat laat zien De flux methode toont een uniek vermogen als gevolg van de lage groeitemperatuur.

Nadelen van kristalbereiding met de gesmolten zoutmethode:

Langzame kristalgroei; moeilijk waar te nemen; vloeimiddelen zijn vaak giftig; kleine kristalgrootte; wederzijdse verontreiniging door vloeimiddelen die uit meerdere componenten bestaan.

Deze methode is geschikt voor de bereiding van de volgende materialen:

(1) materialen met een hoog smeltpunt;

(2) materialen met faseovergang bij lage temperatuur;

(3) componenten met een hoge dampspanning. Basisprincipe: De hogetemperatuuroplossingmethode is een kristallijn materiaal dat onder hoge temperatuuromstandigheden in een geschikte flux wordt opgelost om een ​​oplossing te vormen. Het basisprincipe is hetzelfde als dat van de oplossingsmethode bij kamertemperatuur. De keuze van de flux en de bepaling van de faseverhouding van de oplossing zijn echter een voorwaarde voor de kristalgroei in de hogetemperatuuroplossingmethode.

Fysisch-chemische dampfasemethode

De zogenaamde gasfasemethode voor kristalgroei houdt in dat het te laten groeien kristalmateriaal door middel van sublimatie, verdamping en ontleding in de gasfase wordt omgezet, waarna het onder de juiste omstandigheden verzadigde damp wordt en door condensatie en kristallisatie tot kristal groeit. De kenmerken van kristalgroei via de gasfasemethode zijn:

1. hoge zuiverheid van de gegroeide kristallen;

2. goede integriteit van de gegroeide kristallen;

3. langzame groeisnelheid van de kristallen;

4. een reeks factoren die moeilijk te beheersen zijn, zoals temperatuurgradiënt, oververzadigingsverhouding, stroomsnelheid van het dragende gas, enz. Momenteel wordt de gasfasemethode voornamelijk gebruikt voor whiskergroei en de groei van epitaxiale films (homogene en heterogene epitaxie), terwijl de groei van grote bulkkristallen zijn nadelen heeft.

De dampfasemethode kan worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: Fysisch

Dampdepositie (PVD): de transformatie van polykristallijne materialen tot enkele kristallen door fysieke coalescentie, zoals sublimatie-condensatie, moleculaire bundelepitaxie en kathodische sputtering;

Chemische dampdepositie (CVD): Transformatie van polykristallijne grondstoffen tot enkele kristallen via de gasfase door middel van chemische processen, zoals de chemische transportmethode, gasontledingsmethode, gassynthesemethode en MOCVD-methode.