Bahan Kristal Berfungsi

Kaedah Penyediaan

Kaedah Lebur

Pertumbuhan kristal daripada cair adalah salah satu kaedah yang paling biasa dan penting untuk menyediakan kristal tunggal besar dan kristal tunggal bentuk tertentu.

Kebanyakan bahan kristal tunggal yang diperlukan dalam aplikasi teknikal moden seperti elektronik dan optik disediakan melalui kaedah pertumbuhan cair, seperti silikon kristal tunggal, GaAs (gallium nitride), LiNbO3 (lithium niobate), Nd:YAG (neodymium-doped ytterbium aluminium garnet), Al2O3 (batu permata putih) dan logam alkali tanah tertentu dan sebatian halogen logam alkali tanah, dsb.

Berbanding dengan kaedah lain, pertumbuhan cair biasanya mempunyai kelebihan pertumbuhan yang cepat dan ketulenan tinggi dan integriti kristal. Prinsip mudah pertumbuhan kristal dengan kaedah lebur adalah untuk mencairkan bahan mentah untuk pertumbuhan kristal dan memejalkannya menjadi kristal tunggal dalam keadaan tertentu. Peleburan bahan mentah dan pemejalan leburan adalah dua langkah utama.

Leburan mesti dipejalkan mengikut arah dalam keadaan terkawal, dan proses pertumbuhan dicapai dengan pergerakan antara muka pepejal-cecair. Untuk menumbuhkan kristal dalam leburan, suhu sistem mestilah di bawah suhu keseimbangan. Keadaan di mana suhu sistem berada di bawah suhu keseimbangan menjadi subcooling.

Nilai mutlak subcooling ialah tahap subcooling, yang menunjukkan magnitud subcooling sistem. Tahap penyejukan rendah adalah daya penggerak untuk pertumbuhan kristal dalam kaedah cair. Bagi bahan hablur tertentu, faktor utama yang menentukan kadar pertumbuhan hablur pada tahap penyejukan kecil adalah saiz relatif kecerunan suhu antara hablur dan cair.

Kaedah Penyelesaian Suhu Biasa

Pertumbuhan kristal daripada larutan mempunyai sejarah terpanjang dan digunakan secara meluas. Prinsip asas kaedah ini adalah untuk melarutkan bahan mentah terlarut dalam pelarut dan mengambil langkah-langkah yang sesuai untuk menyebabkan keadaan tepu tepu bagi larutan di mana kristal ditanam. Kaedah penyelesaian mempunyai kelebihan berikut:

1. Kristal boleh ditanam pada suhu jauh di bawah takat leburnya. Terdapat banyak kristal yang terurai di bawah takat leburnya atau mengalami transformasi kristalografi yang tidak diingini, dan sesetengahnya mempunyai tekanan wap yang tinggi apabila lebur. Penyelesaiannya membolehkan kristal ini berkembang pada suhu yang lebih rendah, sekali gus mengelakkan masalah di atas. Di samping itu, sumber haba dan bekas pertumbuhan untuk membuat kristal tumbuh pada suhu rendah lebih mudah untuk dipilih.

2. Kelikatan berkurangan. Sesetengah hablur sangat likat dalam keadaan cair dan tidak boleh membentuk hablur dan menjadi berkaca apabila ia disejukkan.

3. ia mudah tumbuh menjadi kristal yang besar dan seragam dengan bentuk yang lengkap.

4. dalam kebanyakan kes, proses pertumbuhan kristal boleh diperhatikan secara langsung, yang memudahkan kajian kinetik pertumbuhan kristal. Kelemahan kaedah penyelesaian adalah banyak komponen, kerumitan faktor yang mempengaruhi pertumbuhan kristal, kadar pertumbuhan yang perlahan, dan tempoh yang panjang (biasanya mengambil masa berpuluh hari atau lebih daripada setahun).

Di samping itu, kaedah penyelesaian memerlukan ketepatan tinggi dalam kawalan suhu untuk pertumbuhan kristal. Keadaan yang diperlukan untuk pertumbuhan hablur dengan kaedah larutan: kepekatan larutan adalah lebih besar daripada kepekatan keseimbangan pada suhu tersebut, iaitu tahap supersaturasi. Daya penggerak ialah tahap supersaturasi.

Kaedah penyelesaian suhu tinggi

Kaedah penyelesaian suhu tinggi adalah kaedah penting untuk pertumbuhan kristal dan merupakan salah satu cara yang digunakan dalam alkimia awal. Kristal yang tumbuh daripada larutan atau pelarut garam cair pada suhu tinggi membolehkan fasa terlarut tumbuh pada suhu jauh di bawah takat leburnya. Kaedah ini mempunyai kelebihan berikut berbanding kaedah lain:

1. kebolehgunaan yang kukuh, selagi anda boleh mencari fluks yang sesuai atau gabungan fluks, anda boleh mengembangkan kristal tunggal.

2. banyak sebatian refraktori dan dalam takat lebur adalah sangat meruap atau suhu tinggi apabila perubahan nilai atau fasa bahan berubah, serta komposisi tidak serupa sebatian lebur, tidak boleh secara langsung dari cair untuk tumbuh atau tidak boleh berkembang kristal tunggal berkualiti tinggi lengkap, kaedah fluks disebabkan oleh pertumbuhan suhu rendah, menunjukkan Kaedah fluks menunjukkan keupayaan unik kerana suhu pertumbuhan rendah.

Kelemahan penyediaan kristal dengan kaedah garam cair:

pertumbuhan kristal perlahan; tidak mudah untuk diperhatikan; fluks selalunya toksik; saiz kristal kecil; pencemaran bersama oleh fluks berbilang komponen.

Kaedah ini sesuai untuk penyediaan bahan berikut:

(1) bahan dengan takat lebur yang tinggi;

(2) bahan dengan peralihan fasa pada suhu rendah;

(3) komponen dengan tekanan wap tinggi dalam komponen. Prinsip asas: Kaedah penyelesaian suhu tinggi ialah bahan kristal yang dilarutkan dalam fluks yang sesuai di bawah keadaan suhu tinggi untuk membentuk larutan, dan prinsip asasnya adalah sama seperti kaedah penyelesaian suhu bilik. Walau bagaimanapun, pilihan fluks dan penentuan hubungan fasa larutan adalah prasyarat untuk pertumbuhan kristal dalam kaedah larutan suhu tinggi.

Kaedah fasa wap fizik-kimia

Kaedah fasa gas yang dipanggil untuk pertumbuhan kristal adalah untuk menukar bahan kristal untuk ditanam menjadi fasa gas melalui proses pemejalwapan, penyejatan dan penguraian, dan kemudian menjadikannya wap tepu melalui keadaan yang sesuai dan berkembang menjadi kristal melalui pemeluwapan dan penghabluran. Ciri-ciri pertumbuhan kristal dengan kaedah fasa gas ialah:

1. ketulenan tinggi kristal yang ditanam;

2. integriti yang baik bagi kristal yang telah ditanam;

3. kadar pertumbuhan perlahan kristal;

4. satu siri faktor yang sukar dikawal, seperti kecerunan suhu, nisbah supersaturasi, kadar aliran gas pembawa, dll. Pada masa ini, kaedah fasa gas digunakan terutamanya untuk pertumbuhan misai dan pertumbuhan filem epitaxial (homogen dan epitaksi heterogen), manakala pertumbuhan kristal pukal saiz besar mempunyai kelemahannya.

Kaedah fasa wap boleh dibahagikan kepada dua jenis utama: Fizikal

Pemendapan Wap (PVD): perubahan bahan polihabluran kepada kristal tunggal melalui penyatuan fizikal, seperti pemeluwapan-pemejalwapan, epitaksi rasuk molekul dan sputtering katodik;

Pemendapan Wap Kimia (CVD): Transformasi bahan mentah polihabluran kepada kristal tunggal melalui fasa gas melalui proses kimia, seperti kaedah pengangkutan kimia, kaedah penguraian gas, kaedah sintesis gas dan kaedah MOCVD.