Tek kristal - Single crystal
Bir tek kristal veya monokristal , bir katı olan bir malzemedir kristal kafes Numunenin tamamının hiç ile, örnek kenarlarına sürekli ve kesintisiz bir tane sınırları . Tane sınırları ile ilişkili kusurların olmaması, monokristallere kristalografik yapının tipine bağlı olarak anizotropik olabilen özellikle mekanik, optik ve elektrik gibi benzersiz özellikler verebilir . Bu özellikler, bazı değerli taşları değerli kılmanın yanı sıra, teknolojik uygulamalarda, özellikle optik ve elektronikte endüstriyel olarak kullanılmaktadır.
Çünkü entropik etkiler gibi katı, mikro bazı kusurların varlığı tercih safsızlıklar , homojen olmayan bir gerilme ve örneğin kristalografik kusurlar dislokasyon anlamlı boyutta mükemmel tek kristaller doğada oldukça nadirdir. Gerekli laboratuvar koşulları genellikle üretim maliyetine eklenir. Öte yandan, kusurlu tek kristaller doğada çok büyük boyutlara ulaşabilir: beril , alçıtaşı ve feldispat gibi çeşitli mineral türlerinin birkaç metre çapında kristaller ürettiği bilinmektedir.
Tek bir kristalin tersi, atomik pozisyonun sadece kısa menzil düzeniyle sınırlı olduğu amorf bir yapıdır. İki uç arasında mevcut polikristalin olarak bilinen küçük kristallerin bir dizi oluşur, kristalitler ve parakristalin aşamaları. Tek kristaller genellikle farklı düzlem yüzlerine ve yüzler arasındaki açıların ideal şeklini belirleyeceği bir miktar simetriye sahip olacaktır. Değerli taşlar, kırma ve yansıtma özelliklerinden yararlanmak için genellikle kristalografik düzlemler boyunca yapay olarak kesilmiş tek kristallerdir.
Üretim yöntemleri
Mevcut yöntemler modern teknoloji ile son derece karmaşık olsa da, kristal büyümesinin kökenleri MÖ 2500'de kristalizasyon yoluyla tuz saflaştırmasına kadar uzanabilir. 1600 CE'de sulu bir çözelti kullanan daha gelişmiş bir yöntem başlatılırken, eriyik ve buhar yöntemleri 1850 CE civarında başladı.
Temel kristal büyütme yöntemleri, yapay olarak yetiştirildiklerine göre dört kategoriye ayrılabilir: eriyik, katı, buhar ve çözelti. Büyük tek kristaller (diğer adıyla boules ) üretmek için özel teknikler arasında Czochralski işlemi (CZ) , Yüzer bölge (veya Bölge Hareketi) ve Bridgman tekniği bulunur . Dr. Teal ve Dr. Little of Bell Telefon Laboratuvarları, Ge ve Si tek kristalleri oluşturmak için Czochralski yöntemini kullanan ilk kişilerdi. Hidrotermal sentez , süblimasyon veya basitçe solvent bazlı kristalizasyon dahil olmak üzere maddenin fiziksel özelliklerine bağlı olarak diğer kristalleştirme yöntemleri kullanılabilir . Örneğin, yüksek kaliteli 300 kg safir tek kristalleri büyütmek için değiştirilmiş bir Kyropoulos yöntemi kullanılabilir. Verneuil yöntemi , aynı zamanda bir alev-füzyon metodu olarak adlandırılan, CZ önce yakut yapmak 1900'lerin kullanılmıştır. Sağdaki diyagram, geleneksel yöntemlerin çoğunu göstermektedir. Mevcut yöntemlerde farklı varyasyonlar ve ince ayarlarla birlikte kimyasal buhar biriktirme (CVD) gibi yeni atılımlar olmuştur. Bunlar şemada gösterilmemiştir.
Metal tek kristaller durumunda, fabrikasyon teknikleri ayrıca katılarda epitaksi ve anormal tane büyümesini içerir. Epitaksi, mevcut tek bir kristalin yüzeyinde aynı veya farklı malzemelerin çok ince (mikrometre ila nanometre ölçeğinde) katmanlarını biriktirmek için kullanılır. Bu tekniğin uygulamaları, diğer nanoteknolojik alanlarda ve katalizde potansiyel kullanımları olan yarı iletken üretimi alanlarında yatmaktadır.
Uygulamalar
Yarı iletken endüstrisi
En çok kullanılan tek kristallerden biri, yarı iletken endüstrisinde Silikondur. Yarı iletken tek kristaller için dört ana üretim yöntemi metalik çözeltilerdendir: sıvı fazlı epitaksi (LPE), sıvı fazlı elektroeptaksi (LPEE), hareketli ısıtıcı yöntemi (THM) ve sıvı faz difüzyonu (LPD). Bununla birlikte, inorganik tek kristallerin yanı sıra, tek kristal organik yarı iletkenler de dahil olmak üzere yarı iletken olabilen birçok başka tek kristal vardır.
Yarı iletkenlerin üretiminde tek kristal silikon kullanılır ve fotovoltaik , günümüzde tek kristal teknolojisinin en büyük kullanımıdır. Fotovoltaiklerde, en verimli kristal yapı, en yüksek ışıktan elektriğe dönüşümünü sağlayacaktır. Açık kuantum bu ölçekte mikroişlemciler üzerinde işlem, tane sınırları varlığı işlevselliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olacaktır alan etkili transistörlerin yerel elektriksel özelliklerini değiştirerek. Bu nedenle, mikroişlemci imalatçıları, büyük tek silikon kristalleri üretmek için tesislere büyük yatırımlar yapmışlardır. Czochralski yöntemi ve yüzen bölge, Silikon kristallerinin büyümesi için popüler yöntemlerdir.
Diğer inorganik yarı iletken tek kristaller arasında GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe ve ZnTe bulunur. Bunların çoğu, istenen özellikler için çeşitli doping ile de ayarlanabilir . Tek kristal grafen , büyük taşıyıcı hareketliliği ve yüksek termal iletkenliği ile elektronik ve optoelektronikteki uygulamalar için de oldukça arzu edilir ve ateşli bir araştırma konusu olmaya devam eder. Ana zorluklardan biri, geniş alanlar üzerinde tek tip tek katmanlı çift katmanlı veya çok katmanlı grafen kristalleri yetiştirmek; epitaksiyel büyüme ve yeni CVD (yukarıda bahsedilen), araştırılan yeni umut verici yöntemler arasındadır.
Organik yarı iletken tek kristaller, inorganik kristallerden farklıdır. Zayıf moleküller arası bağlar, daha düşük erime sıcaklıkları ve daha yüksek buhar basınçları ve daha fazla çözünürlük anlamına gelir. Tek kristallerin büyümesi için malzemenin saflığı çok önemlidir ve organik malzemelerin üretimi genellikle gerekli saflığa ulaşmak için birçok adım gerektirir. Yüksek yük taşıyıcı hareketliliği ile termal olarak kararlı malzemeleri aramak için kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır. Geçmiş keşifler arasında naftalin, tetrasen ve 9,10-difenilantasen (DPA) bulunur. Trifenilamin türevleri umut vaat etti ve son zamanlarda 2021'de, çözelti yöntemi kullanılarak büyütülen α-fenil-4′-(difenilamino)stilbenin (TPA) tek kristal yapısı, aniztropik delik taşıma özelliği ile yarı iletken kullanımı için daha da büyük bir potansiyel sergiledi.
Optik Uygulama
Tek kristaller, katı bir düzende molekülleri olan ve tane sınırları olmayan tek bir tanecik olmaları nedeniyle benzersiz fiziksel özelliklere sahiptir. Bu, optik özellikleri içerir ve belirli kızılötesi (IR) dalga boylarında şeffaflığı nedeniyle optik pencereler olarak tekli silikon kristalleri de kullanılır , bu da onu bazı enstrümanlar için çok kullanışlı hale getirir.
Safir : Bilim adamları tarafından alüminyum oksitin (Al 2 O 3 ) alfa fazı olarak daha iyi bilinen safir tek kristaller, yüksek teknoloji mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Gaz, katı veya çözelti fazlarından büyütülebilir. Büyütme yönteminden kaynaklanan kristallerin çapı, elektronik kullanımdan sonraki kullanımlar düşünüldüğünde önemlidir. Lazerler ve doğrusal olmayan optikler için kullanılırlar . Bazı dikkate değer kullanımlar, biyometrik parmak izi okuyucunun penceresinde, uzun süreli veri depolama için optik disklerde ve X-ışını interferometresinde olduğu gibidir.
İndiyum Fosfit : Bu tek kristaller, geniş çaplı alt tabakaları ile optik fiber formunda optoelektronik ile yüksek hızlı elektroniklerin birleştirilmesi için özellikle uygundur. Diğer fotonik cihazlar arasında lazerler, fotodedektörler, çığ foto diyotları, optik modülatörler ve yükselticiler, sinyal işleme ve hem optoelektronik hem de fotonik entegre devreler bulunur.
.jpg)
Germanyum : Bu, 1947'de Bardeen, Brattain ve Shockley tarafından icat edilen ilk transistördeki malzemeydi. Bazı gama ışını dedektörlerinde ve kızılötesi optiklerde kullanılır. Artık, taşıyıcı mobilitesi için ultra hızlı elektronik cihazların odak noktası haline geldi.
Arsenid : Arsenid III, B, Al, Ga ve In gibi çeşitli elementlerle birleştirilebilir, GaAs bileşiği gofretler için yüksek talep görmektedir.
Kadmiyum Telluride : CdTe kristallerinin IR görüntüleme, elektrooptik cihazlar ve güneş pilleri için substrat olarak çeşitli uygulamaları vardır . CdTe ve ZnTe'nin birlikte alaşımlanmasıyla oda sıcaklığında X-ışını ve gama-ışını dedektörleri yapılabilir.
Elektrik İletkenleri
Metaller şaşırtıcı bir şekilde tek kristal formda üretilebilir ve metalik iletkenlerin nihai performansını anlamak için bir yol sağlar. Katalitik kimya, yüzey fiziği, elektronlar ve monokromatörler gibi temel bilimi anlamak için hayati önem taşır . Metalik tek kristallerin üretimi, en yüksek kalite gereksinimlerine sahiptir ve çubuk şeklinde büyütülür veya çekilir. Bazı şirketler, değişen çaplarla birlikte belirli geometriler, oluklar, delikler ve referans yüzler üretebilir.
Tüm metalik elementler arasında gümüş ve bakır , oda sıcaklığında en iyi iletkenliğe sahiptir ve performans için çıtayı ayarlar. Pazarın büyüklüğü ve arz ve maliyetteki değişkenler, alternatifler aramak veya performansı artırarak alternatifleri daha az kullanmanın yollarını bulmak için güçlü teşvikler sağlamıştır.
Ticari iletkenlerin iletkenliği, genellikle 1914'te mevcut olan en saf bakır telin %100 civarında ölçüldüğü Uluslararası Tavlı Bakır Standardına göre ifade edilir . En saf modern bakır tel daha iyi bir iletkendir ve bu ölçekte %103'ün üzerinde ölçüm yapar. Kazançlar iki kaynaktan gelmektedir. İlk olarak, modern bakır daha saftır. Ancak, bu iyileştirme yolu sona ermiş görünüyor. Bakırın daha saf hale getirilmesi hala önemli bir gelişme sağlamaz. İkincisi, tavlama ve diğer işlemler iyileştirildi. Tavlama, direnç kaynağı olan çıkıkları ve diğer kristal kusurlarını azaltır. Ancak ortaya çıkan teller hala polikristaldir. Tane sınırları ve kalan kristal kusurları, bir miktar artık dirençten sorumludur. Bu, tek kristalleri inceleyerek ölçülebilir ve daha iyi anlaşılabilir.
Beklendiği gibi, tek kristalli bakırın çok kristalli bakırdan daha iyi iletkenliğe sahip olduğu kanıtlandı.
| Malzeme | ρ (μΩ∙cm) | IACS |
|---|---|---|
| % 3 mol Cu katkılı tek kristalli Ag | 1.35 | %127 |
| Tek kristal Cu, daha fazla işlenmiş | 1.472 | %117.1 |
| Tek kristal Ag | 1.49 | %115,4 |
| Tek kristal Cu | 1.52 | %113.4 |
| Yüksek saflıkta Ag teli (polikristal) | 1.59 | %108 |
| Yüksek saflıkta Cu tel (polikristal) | 1.67 | ˃103% |
Bununla birlikte, tek kristalli bakır sadece yüksek saflıkta polikristal gümüşten daha iyi bir iletken olmakla kalmadı, aynı zamanda öngörülen ısı ve basınç işlemi ile tek kristalli gümüşü bile geçebilir. Safsızlıklar genellikle iletkenlik için kötü olsa da, az miktarda bakır ikamesi olan bir gümüş tek kristalin en iyisi olduğu kanıtlandı.
2009 itibariyle, endüstriyel olarak büyük ölçekte tek kristal bakır üretilmiyor, ancak bakır iletkenler için çok büyük bireysel kristal boyutları üretme yöntemleri, yüksek performanslı elektrik uygulamaları için kullanılıyor. Bunlar, metre uzunluk başına yalnızca birkaç kristal içeren meta-tek kristaller olarak kabul edilebilir.
Tek Kristal Türbin Kanatları
Tek kristal katıların bir başka uygulaması, türbin kanatları gibi düşük termal sürünme ile yüksek mukavemetli malzemelerin üretiminde malzeme bilimidir . Burada, tane sınırlarının olmaması aslında akma mukavemetinde bir azalma sağlar, ancak daha da önemlisi, yüksek sıcaklık, yakın toleranslı parça uygulamaları için kritik olan sünme miktarını azaltır. Araştırmacı Barry Piearcey, döküm kalıbındaki dik açılı bir bükülmenin sütunlu kristallerin sayısını azaltacağını ve daha sonra bilim adamı Giamei bunu türbin kanadının tek kristal yapısını başlatmak için kullandığını buldu.
Araştırmada
Tek kristaller, özellikle yoğun madde fiziği araştırmalarında ve yüzey bilimi gibi malzeme biliminin tüm yönlerinde önemlidir . Bir malzemenin kristal yapısının Bragg kırınımı ve helyum atomu saçılması gibi tekniklerle ayrıntılı olarak incelenmesi, tek kristallerle daha kolaydır, çünkü çeşitli özelliklerin yön bağımlılığını incelemek ve teorik tahminlerle karşılaştırmak mümkündür. Ayrıca, açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi veya düşük enerjili elektron kırınımı gibi makroskopik olarak ortalama alma teknikleri yalnızca tek kristallerin yüzeylerinde mümkündür veya anlamlıdır. Gelen süperiletkenlik süperiletkenlik sadece tek kristal numune görülür malzemelerin durumlar olmuştur. Malzemeye aksi halde sadece polikristal formda ihtiyaç duyulduğunda bile, bu amaç için yetiştirilebilirler .
Bu nedenle, tek kristal formlarında çok sayıda yeni malzeme üzerinde çalışılmaktadır. Metal-organik çerçevelerin (MOF'ler) genç alanı, tek kristallere sahip olmaya hak kazanan birçok alandan biridir. Ocak 2021'de Dr. Dong ve Dr. Feng, polisiklik aromatik ligandların 200 μm'ye kadar büyük 2D MOF tek kristalleri üretmek için nasıl optimize edilebileceğini gösterdi. Bu, bilim adamlarının tek kristal cihazlar üretebileceği ve içsel elektriksel iletkenliği ve yük taşıma mekanizmasını belirleyebileceği anlamına gelebilir.
Foto-tahrikli dönüşüm alanı, tek kristalden tek kristale (SCSC) dönüşümler olarak adlandırılan tek kristallerle de ilgili olabilir. Bunlar moleküler hareketin doğrudan gözlemlenmesini ve mekanik detayların anlaşılmasını sağlar. Bu foto-anahtarlama davranışı, özünde fotoya duyarlı olmayan mononükleer lantanit tek moleküllü mıknatıslar (SMM) üzerine yapılan son araştırmalarda da gözlemlenmiştir.
Ayrıca bakınız
- Kristalleşmenin mühendislik yönleri
- fraksiyonel kristalizasyon
- Lazerle ısıtılan kaide büyümesi
- Mikro-aşağı çekme
- yeniden kristalleşme
- tohum kristali
Referanslar
daha fazla okuma
- Illinois Institute of Technology web sitesinde "Küçük Molekül Kristalizasyonu" ( PDF )