Materiali cristallini funzionali

Metodo di preparazione

Metodo di fusione

La crescita dei cristalli dalla fusione è uno dei metodi più comuni e importanti per preparare grandi cristalli singoli e cristalli singoli di forme specifiche.

La maggior parte dei materiali monocristallini necessari nelle moderne applicazioni tecniche come l'elettronica e l'ottica sono preparati mediante metodi di crescita della fusione, come silicio monocristallino, GaAs (nitruro di gallio), LiNbO3 (niobato di litio), Nd:YAG (alluminio itterbio drogato al neodimio granato), Al2O3 (pietra preziosa bianca) e alcuni metalli alcalino terrosi e composti alogenati di metalli alcalino terrosi, ecc.

Rispetto ad altri metodi, la crescita della fusione presenta solitamente i vantaggi di una crescita rapida e di un'elevata purezza e integrità dei cristalli. Il semplice principio della crescita dei cristalli con il metodo della fusione consiste nel sciogliere la materia prima per la crescita dei cristalli e solidificarla in un singolo cristallo in determinate condizioni. La fusione della materia prima e la solidificazione del fuso sono le due fasi principali.

La massa fusa deve essere solidificata in modo direzionale in condizioni controllate e il processo di crescita viene realizzato mediante il movimento dell'interfaccia solido-liquido. Per far crescere i cristalli nella massa fusa, la temperatura del sistema deve essere inferiore alla temperatura di equilibrio. Lo stato in cui la temperatura del sistema è inferiore alla temperatura di equilibrio diventa sottoraffreddamento.

Il valore assoluto del sottoraffreddamento è il grado di sottoraffreddamento, che indica l'entità del sottoraffreddamento del sistema. Il grado di sottoraffreddamento è la forza trainante per la crescita dei cristalli nel metodo di fusione. Per una certa sostanza cristallina, il fattore principale che determina la velocità di crescita dei cristalli ad un certo grado di sottoraffreddamento è la dimensione relativa del gradiente di temperatura tra il cristallo e la massa fusa.

Metodo della soluzione a temperatura normale

La crescita dei cristalli dalla soluzione ha la storia più lunga ed è ampiamente utilizzata. Il principio di base di questo metodo è quello di sciogliere il soluto della materia prima in un solvente e adottare misure adeguate per provocare uno stato sovrasaturo della soluzione in cui crescono i cristalli. Il metodo risolutivo presenta i seguenti vantaggi:

1. I cristalli possono crescere a temperature ben al di sotto del punto di fusione. Ci sono molti cristalli che si decompongono al di sotto del loro punto di fusione o subiscono trasformazioni cristallografiche indesiderate, e alcuni hanno un'elevata pressione di vapore durante la fusione. La soluzione consente a questi cristalli di crescere ad una temperatura più bassa, evitando così i problemi di cui sopra. Inoltre, la fonte di calore e il recipiente di crescita per far crescere i cristalli a basse temperature sono più facili da scegliere.

2. Viscosità ridotta. Alcuni cristalli sono molto viscosi allo stato fuso e non possono formare cristalli e diventano vetrosi quando vengono raffreddati.

3. si trasforma facilmente in cristalli grandi, uniformi e dalla forma completa.

4. nella maggior parte dei casi, il processo di crescita dei cristalli può essere osservato direttamente, il che facilita lo studio della cinetica di crescita dei cristalli. Gli svantaggi del metodo di soluzione sono i numerosi componenti, la complessità dei fattori che influenzano la crescita dei cristalli, il tasso di crescita lento e il lungo periodo (di solito occorrono decine di giorni o anche più di un anno).

Inoltre, il metodo della soluzione richiede un'elevata precisione nel controllo della temperatura per la crescita dei cristalli. La condizione necessaria per la crescita dei cristalli con il metodo della soluzione: la concentrazione della soluzione è maggiore della concentrazione di equilibrio a quella temperatura, cioè il grado di sovrasaturazione. La forza trainante è il grado di sovrasaturazione.

Metodo di soluzione ad alta temperatura

Il metodo della soluzione ad alta temperatura è un metodo importante per la crescita dei cristalli ed era uno dei mezzi utilizzati nella prima alchimia. La crescita dei cristalli da una soluzione o da un solvente salino fuso ad alte temperature consente alla fase soluta di crescere a temperature ben al di sotto del punto di fusione. Questo metodo presenta i seguenti vantaggi rispetto ad altri metodi:

1. forte applicabilità, purché sia ​​possibile trovare il flusso o la combinazione di flussi appropriati, è possibile coltivare cristalli singoli.

2. Molti composti refrattari e il punto di fusione sono molto volatili o ad alta temperatura quando la variazione di valore o i materiali a cambiamento di fase, così come la composizione non identica dei composti fusi, non possono crescere direttamente dalla massa fusa o non possono crescere un metodo completo di alta qualità a cristalli singoli, il flusso dovuto alla crescita a bassa temperatura, che mostra la Il metodo del flusso mostra un'abilità unica grazie alla bassa temperatura di crescita.

Svantaggi della preparazione dei cristalli con il metodo del sale fuso:

crescita lenta dei cristalli; non facile da osservare; i flussi sono spesso tossici; piccola dimensione del cristallo; contaminazione reciproca da flussi multicomponente.

Questo metodo è adatto per la preparazione dei seguenti materiali:

(1) materiali con alto punto di fusione;

(2) materiali con transizione di fase a bassa temperatura;

(3) componenti con elevata pressione di vapore nei componenti. Principio di base: il metodo di soluzione ad alta temperatura è un materiale cristallino disciolto in un flusso adatto in condizioni di alta temperatura per formare una soluzione, e il suo principio di base è lo stesso del metodo di soluzione a temperatura ambiente. Tuttavia, la scelta del flusso e la determinazione della relazione di fase della soluzione è un prerequisito per la crescita dei cristalli nel metodo della soluzione ad alta temperatura.

Metodo fisico-chimico in fase vapore

Il cosiddetto metodo in fase gassosa per la crescita dei cristalli consiste nel convertire il materiale cristallino da coltivare in fase gassosa attraverso il processo di sublimazione, evaporazione e decomposizione, quindi farlo diventare vapore saturo attraverso condizioni appropriate e crescere in cristalli mediante condensazione e cristallizzazione. Le caratteristiche della crescita dei cristalli con il metodo della fase gassosa sono:

1. elevata purezza dei cristalli cresciuti;

2. buona integrità dei cristalli cresciuti;

3. velocità di crescita lenta dei cristalli;

4. una serie di fattori difficili da controllare, come il gradiente di temperatura, il rapporto di sovrasaturazione, la portata del gas trasportatore, ecc. Attualmente il metodo in fase gassosa viene utilizzato principalmente per la crescita dei whisker e la crescita di film epitassiali (omogenei e epitassia eterogenea), mentre la crescita di cristalli sfusi di grandi dimensioni presenta i suoi svantaggi.

Il metodo della fase vapore può essere suddiviso in due tipologie principali: Fisico

Deposizione da vapore (PVD): la trasformazione di materiali policristallini in cristalli singoli mediante coalescenza fisica, come sublimazione-condensazione, epitassia a fascio molecolare e sputtering catodico;

Deposizione chimica da fase vapore (CVD): trasformazione di materie prime policristalline in cristalli singoli attraverso la fase gassosa mediante processi chimici, come il metodo di trasporto chimico, il metodo di decomposizione del gas, il metodo di sintesi del gas e il metodo MOCVD.