Materiale kristal funksionale

Metoda e Përgatitjes

Metoda e shkrirjes

Rritja e kristaleve nga shkrirja është një nga metodat më të zakonshme dhe më të rëndësishme për përgatitjen e kristaleve të mëdha të vetme dhe kristaleve të vetme të formave specifike.

Shumica e materialeve me një kristal të nevojshëm në aplikimet teknike moderne si elektronika dhe optika përgatiten me metoda të rritjes së shkrirjes, të tilla si silikoni me një kristal, GaAs (nitrid galiumi), LiNbO3 (niobat litium), Nd:YAG (alumin iterbium i dopuar me neodymium. granata), Al2O3 (gur i çmuar i bardhë) dhe disa metale alkaline tokësore dhe komponime halogjene të metaleve alkaline tokësore, etj.

Krahasuar me metodat e tjera, rritja e shkrirjes zakonisht ka avantazhet e rritjes së shpejtë dhe pastërtisë dhe integritetit të lartë të kristaleve. Parimi i thjeshtë i rritjes së kristalit me metodën e shkrirjes është shkrirja e lëndës së parë për rritjen e kristalit dhe ngurtësimi i saj në një kristal të vetëm në kushte të caktuara. Shkrirja e lëndës së parë dhe ngurtësimi i shkrirjes janë dy hapat kryesorë.

Shkrirja duhet të ngurtësohet në një mënyrë të drejtuar në kushte të kontrolluara dhe procesi i rritjes realizohet nga lëvizja e ndërfaqes së ngurtë-lëngshme. Për të rritur kristalet në shkrirje, temperatura e sistemit duhet të jetë nën temperaturën e ekuilibrit. Gjendja në të cilën temperatura e sistemit është nën temperaturën e ekuilibrit bëhet nënftohje.

Vlera absolute e nënftohjes është shkalla e nënftohjes, e cila tregon madhësinë e nënftohjes së sistemit. Shkalla e nënftohjes është forca lëvizëse për rritjen e kristaleve në metodën e shkrirjes. Për një substancë të caktuar kristalore, faktori kryesor që përcakton shkallën e rritjes së kristalit në një shkallë të caktuar nënftohjeje është madhësia relative e gradientit të temperaturës midis kristalit dhe shkrirjes.

Metoda e zgjidhjes me temperaturë normale

Rritja e kristaleve nga tretësira ka historinë më të gjatë dhe përdoret gjerësisht. Parimi bazë i kësaj metode është shpërbërja e lëndës së parë të tretur në një tretës dhe marrja e masave të duhura për të shkaktuar një gjendje të mbingopur të tretësirës në të cilën rriten kristalet. Metoda e zgjidhjes ka përparësitë e mëposhtme:

1. Kristalet mund të rriten në temperatura shumë nën pikën e tyre të shkrirjes. Ka shumë kristale që dekompozohen nën pikën e tyre të shkrirjes ose i nënshtrohen transformimeve të padëshiruara kristalografike, dhe disa kanë presion të lartë avulli kur shkrihen. Zgjidhja lejon që këto kristale të rriten në një temperaturë më të ulët, duke shmangur kështu problemet e mësipërme. Përveç kësaj, burimi i nxehtësisë dhe ena e rritjes për rritjen e kristaleve në temperatura të ulëta janë më të lehta për t'u zgjedhur.

2. Viskozitet i reduktuar. Disa kristale janë shumë viskoze në gjendje të shkrirë dhe nuk mund të formojnë kristale dhe të bëhen të qelqtë kur ftohen.

3. është e lehtë të rritet në kristale të mëdha, uniforme me një formë të plotë.

4. në shumicën e rasteve mund të vërehet drejtpërdrejt procesi i rritjes së kristalit, gjë që lehtëson studimin e kinetikës së rritjes së kristalit. Disavantazhet e metodës së zgjidhjes janë komponentët e shumtë, kompleksiteti i faktorëve që ndikojnë në rritjen e kristalit, ritmi i ngadaltë i rritjes dhe periudha e gjatë (zakonisht zgjat dhjetëra ditë ose edhe më shumë se një vit).

Përveç kësaj, metoda e zgjidhjes kërkon saktësi të lartë në kontrollin e temperaturës për rritjen e kristalit. Kushti i nevojshëm për rritjen e kristalit me metodën e tretësirës: përqendrimi i tretësirës është më i madh se përqendrimi ekuilibër në atë temperaturë, pra shkalla e mbingopjes. Forca lëvizëse është shkalla e mbingopjes.

Metoda e zgjidhjes me temperaturë të lartë

Metoda e zgjidhjes me temperaturë të lartë është një metodë e rëndësishme për rritjen e kristaleve dhe ishte një nga mjetet e përdorura në alkiminë e hershme. Rritja e kristaleve nga një tretësirë ​​ose një tretës i kripës së shkrirë në temperatura të larta lejon që faza e tretësirës të rritet në temperatura shumë nën pikën e saj të shkrirjes. Kjo metodë ka përparësitë e mëposhtme në krahasim me metodat e tjera:

1. zbatueshmëri e fortë, për sa kohë që ju mund të gjeni fluksin e duhur ose kombinimin e flukseve, ju mund të rritni kristale të vetme.

2. shumë komponime zjarrduruese dhe në pikën e shkrirjes është shumë e paqëndrueshme ose temperatura e lartë kur ndryshimi në vlerë ose ndryshimi i fazës së materialeve, si dhe përbërja jo identike e përbërjeve të shkrirë, nuk mund të rritet drejtpërdrejt nga shkrirja ose nuk mund të rritet. një kristal i plotë me cilësi të lartë, metodë fluksi për shkak të rritjes së një temperature të ulët, që tregon metoda e fluksit tregon një aftësi unike për shkak të temperaturës së ulët të rritjes.

Disavantazhet e përgatitjes së kristalit me metodën e kripës së shkrirë:

rritja e ngadaltë e kristaleve; nuk është e lehtë për t'u vëzhguar; flukset janë shpesh toksike; madhësia e vogël e kristalit; kontaminimi i ndërsjellë nga flukset me shumë komponentë.

Kjo metodë është e përshtatshme për përgatitjen e materialeve të mëposhtme:

(1) materiale me pikë shkrirjeje të lartë;

(2) materialet me kalim fazor në temperaturë të ulët;

(3) komponentë me presion të lartë të avullit në komponentë. Parimi bazë: Metoda e tretësirës me temperaturë të lartë është një material kristalor i tretur në një fluks të përshtatshëm në kushte të temperaturës së lartë për të formuar një zgjidhje dhe parimi i tij bazë është i njëjtë me atë të metodës së tretësirës në temperaturën e dhomës. Sidoqoftë, zgjedhja e fluksit dhe përcaktimi i marrëdhënies fazore të tretësirës është një parakusht për rritjen e kristaleve në metodën e zgjidhjes me temperaturë të lartë.

Metoda fiziko-kimike e fazës së avullit

E ashtuquajtura metodë e fazës së gazit për rritjen e kristalit është shndërrimi i materialit kristal që do të rritet në fazë gazi përmes procesit të sublimimit, avullimit dhe dekompozimit, dhe më pas e bën atë të bëhet avull i ngopur në kushte të përshtatshme dhe të rritet në kristal me anë të kondensimit dhe kristalizimi. Karakteristikat e rritjes së kristalit me metodën e fazës së gazit janë:

1. pastërti e lartë e kristaleve të rritura;

2. integritet i mirë i kristaleve të rritura;

3. ritmi i ngadaltë i rritjes së kristaleve;

4. një sërë faktorësh që janë të vështirë për t'u kontrolluar, si p.sh. gradienti i temperaturës, raporti i mbingopjes, shpejtësia e rrjedhës së gazit bartës etj. Aktualisht, metoda e fazës së gazit përdoret kryesisht për rritjen e mustaqeve dhe rritjen e filmave epitaksial (homogjenë dhe epitaksia heterogjene), ndërkohë që rritja e kristaleve me madhësi të madhe ka disavantazhet e veta.

Metoda e fazës së avullit mund të ndahet në dy lloje kryesore: fizike

Depozitimi i avullit (PVD): transformimi i materialeve polikristaline në kristale të vetme me anë të bashkimit fizik, si sublimimi-kondensimi, epitaksia e rrezeve molekulare dhe spërkatja katodike;

Depozitimi i avullit kimik (CVD): Transformimi i lëndëve të para polikristaline në kristale të vetme përmes fazës së gazit me anë të proceseve kimike, të tilla si metoda e transportit kimik, metoda e dekompozimit të gazit, metoda e sintezës së gazit dhe metoda MOCVD.