Функционалды кристалдық материалдар

Дайындау әдісі

Балқу әдісі

Балқымадан кристалдардың өсуі үлкен монокристалдар мен ерекше пішіндегі монокристалдарды дайындаудың ең кең таралған және маңызды әдістерінің бірі болып табылады.

Электроника және оптика сияқты заманауи техникалық қосымшаларға қажет монокристалды материалдардың көпшілігі монокристалды кремний, GaAs (галий нитриді), LiNbO3 (литий ниобаты), Nd: YAG (неодим қосылған итербий алюминийі) сияқты балқымаларды өсіру әдістерімен дайындалады. гранат), Al2O3 (ақ асыл тас) және кейбір сілтілі жер металдары мен сілтілі жер металдарының галогенді қосылыстары және т.б.

Басқа әдістермен салыстырғанда балқыманың өсуі әдетте жылдам өсу және кристалдардың жоғары тазалығы мен тұтастығының артықшылықтарына ие. Балқыту әдісімен кристалды өсірудің қарапайым принципі кристалды өсіруге арналған шикізатты балқыту және белгілі бір жағдайларда оны бір кристалға айналдыру болып табылады. Шикізаттың балқуы және балқыманың қатуы екі негізгі қадам болып табылады.

Балқыма бақыланатын жағдайларда бағытталған түрде қатаюы керек және өсу процесі қатты-сұйықтық интерфейсінің қозғалысы арқылы жүзеге асырылады. Балқымадағы кристалдарды өсіру үшін жүйенің температурасы тепе-теңдік температурасынан төмен болуы керек. Жүйе температурасы тепе-теңдік температурасынан төмен болған күй суытуға айналады.

Асқын салқындатудың абсолютті мәні жүйенің қосымша салқындату шамасын көрсететін қосымша салқындату дәрежесі болып табылады. Асқын салқындату дәрежесі балқыма әдісінде кристалдардың өсуінің қозғаушы күші болып табылады. Белгілі бір кристалдық зат үшін кристаллдың белгілі бір дәрежеде суыту кезіндегі өсу жылдамдығын анықтайтын негізгі фактор кристал мен балқыма арасындағы температура градиентінің салыстырмалы өлшемі болып табылады.

Қалыпты температурадағы ерітінді әдісі

Ерітіндіден кристалдардың өсуі ең ұзақ тарихқа ие және кеңінен қолданылады. Бұл әдістің негізгі принципі шикізаттың еріген затын еріткіште еріту және кристалдар өсетін ерітіндінің аса қаныққан күйін тудыру үшін тиісті шараларды қабылдау болып табылады. Шешім әдісі келесі артықшылықтарға ие:

1. Кристалдарды балқу температурасынан әлдеқайда төмен температурада өсіруге болады. Балқу температурасынан төмен ыдырайтын немесе қажетсіз кристаллографиялық өзгерістерге ұшырайтын көптеген кристалдар бар, ал кейбіреулерінде балқу кезінде бу қысымы жоғары болады. Шешім бұл кристалдардың төмен температурада өсуіне мүмкіндік береді, осылайша жоғарыда аталған мәселелерді болдырмайды. Сонымен қатар, төмен температурада кристалдарды өсіруге арналған жылу көзі мен өсу ыдысын таңдау оңайырақ.

2. Тұтқырлықтың төмендеуі. Кейбір кристалдар балқыған күйінде өте тұтқыр болады және кристалдар түзе алмайды және салқындаған кезде шыны тәрізді болады.

3. толық пішіні бар үлкен, біркелкі кристалдарға оңай өседі.

4. көп жағдайда кристалдардың өсу процесін тікелей байқауға болады, бұл кристалдардың өсу кинетикасын зерттеуді жеңілдетеді. Шешім әдісінің кемшіліктері көптеген құрамдас бөліктер, кристалдардың өсуіне әсер ететін факторлардың күрделілігі, өсу қарқынының баяулығы және ұзақ кезең (әдетте ондаған күн немесе тіпті бір жылдан астам уақытты алады).

Сонымен қатар, ерітінді әдісі кристалдардың өсуі үшін температураны бақылауда жоғары дәлдікті талап етеді. Ерітінді әдісімен кристалды өсірудің қажетті шарты: ерітіндінің концентрациясы сол температурадағы тепе-теңдік концентрациясынан, яғни аса қанығу дәрежесінен жоғары. Қозғаушы күш – аса қанығу дәрежесі.

Жоғары температурадағы ерітінді әдісі

Жоғары температурадағы ерітінді әдісі кристалдарды өсірудің маңызды әдісі болып табылады және ерте алхимияда қолданылатын құралдардың бірі болды. Жоғары температурада ерітіндіден немесе балқытылған тұз еріткішінен кристалдарды өсіру еріген зат фазасының балқу температурасынан әлдеқайда төмен температурада өсуіне мүмкіндік береді. Бұл әдіс басқа әдістерге қарағанда келесі артықшылықтарға ие:

1. күшті қолдану мүмкіндігі, егер сіз сәйкес ағынды немесе ағындардың комбинациясын таба алсаңыз, монокристалдарды өсіре аласыз.

2. көптеген отқа төзімді қосылыстар және балқу температурасында өте ұшпа немесе жоғары температура кезінде құндылық немесе фазалық өзгерістер материалдары, сондай-ақ балқытылған қосылыстардың құрамы бірдей емес, балқымадан тікелей өсе алмайды немесе өсе алмайды. толық жоғары сапалы монокристалдар, төмен температураның өсуіне байланысты флюс әдісі, флюс әдісі төмен өсу температурасына байланысты бірегей қабілетті көрсетеді.

Балқытылған тұз әдісімен кристалды дайындаудың кемшіліктері:

кристалдардың баяу өсуі; байқау оңай емес; ағындар жиі улы болып табылады; кішкентай кристалл өлшемі; көп компонентті ағындармен өзара ластану.

Бұл әдіс келесі материалдарды дайындау үшін қолайлы:

(1) балқу температурасы жоғары материалдар;

(2) төмен температурада фазалық ауысуы бар материалдар;

(3) құрамдас бөліктердегі бу қысымы жоғары құрамдас бөліктер. Негізгі принцип: Жоғары температуралық ерітінді әдісі - ерітінді түзу үшін жоғары температура жағдайында қолайлы ағында ерітілген кристалды материал және оның негізгі принципі бөлме температурасындағы ерітінді әдісімен бірдей. Алайда ағынды таңдау және ерітіндінің фазалық байланысын анықтау жоғары температуралы ерітінді әдісінде кристалдардың өсуінің алғы шарты болып табылады.

Физикалық-химиялық бу фазалық әдіс

Кристаллды өсірудің газ-фазалық әдісі деп аталатын әдіс сублимация, булану және ыдырау процесі арқылы өсірілетін кристалды материалды газ фазасына айналдыру, содан кейін оны тиісті жағдайларда қаныққан буға айналдыру және конденсация және кристаллға айналдыру. кристалдану. Газ фазалық әдіс бойынша кристалдардың өсу сипаттамалары:

1. өсірілген кристалдардың жоғары тазалығы;

2. өскен кристалдардың жақсы бүтіндігі;

3. кристалдардың баяу өсу қарқыны;

4. температура градиенті, аса қанығу коэффициенті, тасымалдаушы газдың ағынының жылдамдығы және т.б. сияқты бақылау қиын факторлар қатары. Қазіргі уақытта газ фазалық әдіс негізінен сақалдың өсуі мен эпитаксиалды қабықшалардың өсуі үшін қолданылады (біртекті және гетерогенді эпитаксия), ал үлкен көлемді көлемді кристалдардың өсуінің кемшіліктері бар.

Бу фазасы әдісін екі негізгі түрге бөлуге болады: Физикалық

Бумен тұндыру (PVD): сублимация-конденсация, молекулалық сәуле эпитаксисі және катодты шашырату сияқты физикалық бірігу арқылы поликристалды материалдарды монокристалдарға айналдыру;

Химиялық буларды тұндыру (CVD): Химиялық тасымалдау әдісі, газды ыдырау әдісі, газ синтезі әдісі және MOCVD әдісі сияқты химиялық процестер арқылы газ фазасы арқылы поликристалды шикізатты монокристалдарға айналдыру.