Легирующая добавка (также называемая легирующим агентом ) представляет собой небольшое количество вещества, добавляемого к материалу для изменения его физических свойств, таких как электрические или оптические свойства. Количество легирующей примеси обычно очень мало по сравнению с легируемым материалом.
При введении в кристаллические вещества атомы примеси включаются в кристаллическую решетку вещества. Кристаллические материалы часто представляют собой либо кристаллы полупроводника, такого как кремний и германий , для использования в твердотельной электронике , либо прозрачные кристаллы для использования в производстве различных типов лазеров ; однако в некоторых случаях последних некристаллические вещества, например стекло, также могут быть легированы примесями.
В твердотельной электронике использование соответствующих типов и количеств примесей в полупроводниках позволяет получить полупроводники p-типа и полупроводники n-типа , которые необходимы для изготовления транзисторов и диодов .
Процедура легирования небольших количеств металлов хрома (Cr), неодима (Nd), эрбия (Er), тулия (Tm), иттербия (Yb) и некоторых других в прозрачные кристаллы , керамику или стекла используется для производят активную среду для твердотельных лазеров . Именно в электронах атомов примеси может быть создана инверсия населенностей , которая необходима для вынужденного излучения фотонов при работе всех лазеров .
В случае с природным рубином произошло то, что небольшое количество примеси хрома естественным образом распределилось через кристалл оксида алюминия ( корунда ). Этот хром придает рубину красный цвет, а также позволяет рубину подвергаться инверсии населенности и действовать как лазер. Атомы алюминия и кислорода в прозрачном кристалле оксида алюминия служили просто для поддержания атомов хрома в хорошем пространственном распределении, и в остальном они не имеют никакого отношения к лазерному воздействию.
В других случаях, например, в неодимовом YAG-лазере , кристалл изготавливается синтетически и не встречается в природе. Кристалл иттрий-алюминиевого граната, созданный человеком, содержит в себе миллионы атомов иттрия, и благодаря своему физическому размеру, химической валентности и т. д. он хорошо заменяет небольшое меньшинство атомов иттрия в своей решетке и заменяет их с атомами редкоземельного ряда элементов, например неодима. Затем эти атомы примеси фактически осуществляют процесс генерации в кристалле. Остальные атомы кристалла состоят из атомов иттрия, алюминия и кислорода, но, как и выше, эти три элемента просто поддерживают атомы неодима. Кроме того, в качестве легирующей примеси можно легко использовать редкоземельный элемент эрбий, а не неодим, что дает другую длину волны на выходе.
Во многих оптически прозрачных хозяевах такие активные центры могут сохранять возбуждение в течение времени порядка миллисекунд и релаксировать с помощью стимулированного излучения , обеспечивая лазерное действие. Количество примеси обычно измеряется в атомных процентах . Обычно в расчетах принимают относительный атомный процент, принимая во внимание, что примесный ион может замещать только часть узла кристаллической решетки. Легирование также можно использовать для изменения показателя преломления в оптических волокнах , особенно в волокнах с двойной оболочкой . Оптические примеси характеризуются временем жизни возбуждения и эффективными сечениями поглощения и излучения, которые являются основными параметрами активной примеси. Обычно концентрация оптической примеси составляет порядка нескольких процентов или даже ниже. При большой плотности возбуждения кооперативное тушение (кроссрелаксация) снижает эффективность лазерного воздействия.
В медицинской сфере лазерные кристаллы, легированные эрбием , используются в лазерных скальпелях , которые используются в лазерной хирургии . Европий , неодим и другие редкоземельные элементы используются для легирования стекол для лазеров. Легированные гольмием и неодим- иттрий-алюминиевые гранаты (ИАГ) используются в качестве активной лазерной среды в некоторых лазерных скальпелях. [1]
В контексте люминофоров и сцинтилляторов легирующие добавки более известны как активаторы и используются для усиления процесса люминесценции. [2]
Добавление примеси в полупроводник , известное как легирование , приводит к сдвигу уровней Ферми внутри материала. [ нужна цитация ] В результате получается материал с преимущественно отрицательными ( n-типом ) или положительными ( p-типом ) носителями заряда в зависимости от разновидности легирующей примеси. Чистые полупроводники, которые были изменены присутствием примесей, известны как внешние полупроводники (см. Собственный полупроводник ). Легирующие примеси вводятся в полупроводники различными способами: из твердых источников, газов, спин-жидкости и ионной имплантации. См. сноску «Ионная имплантация» , «Поверхностная диффузия » и «Твердые источники».
Цвет некоторых драгоценных камней обусловлен примесями. Например, рубин и сапфир представляют собой оксид алюминия: первый получает свой красный цвет от атомов хрома, а второй легируется любым из нескольких элементов, что дает различные цвета.