В материаловедении монокристалл (или монокристаллическое твердое тело , или монокристаллическое твердое тело ) — это материал, в котором кристаллическая решетка всего образца является непрерывной и непрерывной до краев образца, без границ зерен . [1] Отсутствие дефектов, связанных с границами зерен, может придавать монокристаллам уникальные свойства, в частности механические, оптические и электрические, которые также могут быть анизотропными в зависимости от типа кристаллографической структуры. [2] Эти свойства, помимо того, что некоторые драгоценные камни делают драгоценные камни драгоценными, промышленно используются в технологических приложениях, особенно в оптике и электронике. [3]
Поскольку энтропийные эффекты благоприятствуют наличию некоторых дефектов в микроструктуре твердых тел , таких как примеси , неоднородная деформация и кристаллографические дефекты, такие как дислокации , совершенные монокристаллы значительного размера чрезвычайно редки в природе. [2] Необходимые лабораторные условия часто увеличивают стоимость производства. С другой стороны, несовершенные монокристаллы в природе могут достигать огромных размеров: известно, что некоторые минеральные виды, такие как берилл , гипс и полевые шпаты, образуют кристаллы диаметром несколько метров. [4] [1]
Противоположностью монокристаллу является аморфная структура, в которой положение атома ограничено только ближним порядком. [5] Между двумя крайностями существуют поликристаллические , которые состоят из ряда более мелких кристаллов, известных как кристаллиты , и паракристаллические фазы. [6] Монокристаллы обычно имеют характерные плоские грани и некоторую симметрию, при которой углы между гранями определяют идеальную форму. Драгоценные камни часто представляют собой монокристаллы, искусственно ограненные по кристаллографическим плоскостям, чтобы воспользоваться преломляющими и отражающими свойствами. [6]
Хотя нынешние методы чрезвычайно сложны в сочетании с современными технологиями, истоки роста кристаллов можно проследить до очистки соли путем кристаллизации в 2500 году до нашей эры. Более продвинутый метод с использованием водного раствора был запущен в 1600 году нашей эры, а методы плавления и пара - около 1850 года нашей эры. [7]
Основные методы выращивания кристаллов можно разделить на четыре категории в зависимости от того, из чего они выращиваются искусственно: расплав, твердое вещество, пар и раствор. [2] Конкретные методы производства крупных монокристаллов (также известных как були ) включают процесс Чохральского (CZ) , плавающую зону (или движение зоны) и метод Бриджмена . Доктор Тил и доктор Литтл из Bell Telephone Laboratories были первыми, кто использовал метод Чохральского для создания монокристаллов Ge и Si. [8] В зависимости от физических свойств вещества могут использоваться и другие методы кристаллизации, включая гидротермальный синтез , сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя . [9] Например, модифицированный метод Киропулоса можно использовать для выращивания высококачественных монокристаллов сапфира массой 300 кг. [10] Метод Вернейля , также называемый методом плавления в пламени, использовался в начале 1900-х годов для изготовления рубинов до CZ. [7] Диаграмма справа иллюстрирует большинство традиционных методов. Произошли новые прорывы, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), а также различные вариации и модификации существующих методов. На схеме они не показаны.
В случае монокристаллов металлов методы изготовления также включают эпитаксию и аномальный рост зерен в твердых телах. [11] Эпитаксия используется для нанесения очень тонких (в масштабе от микрометра до нанометра) слоев одного и того же или разных материалов на поверхность существующего монокристалла. [12] Применение этого метода лежит в области производства полупроводников, с потенциальным использованием в других областях нанотехнологий и катализа. [13]
Вырастить монокристаллы полимеров чрезвычайно сложно. Главным образом это связано с разной длиной полимерных цепей и различными энтропийными причинами. Однако топохимические реакции являются одним из простых способов получения монокристаллов полимера.[1]
Одним из наиболее часто используемых монокристаллов является кристалл кремния в полупроводниковой промышленности. Четыре основных метода производства полупроводниковых монокристаллов происходят из металлических растворов: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), жидкофазная электроэпитаксия (ЖПЭЭ), метод бегущего нагревателя (ТНМ) и жидкофазная диффузия (ЛПД). [14] Однако, помимо неорганических монокристаллов, способных быть полупроводниковыми, существует множество других монокристаллов, включая монокристаллические органические полупроводники .
Монокристаллический кремний , используемый в производстве полупроводников и фотогальваники, сегодня является крупнейшим применением монокристаллической технологии. [15] В фотоэлектрической энергетике наиболее эффективная кристаллическая структура обеспечивает максимальное преобразование света в электричество. [16] В квантовом масштабе, в котором работают микропроцессоры , наличие границ зерен окажет значительное влияние на функциональность полевых транзисторов , изменяя локальные электрические свойства. [17] Поэтому производители микропроцессоров вложили значительные средства в оборудование для производства больших монокристаллов кремния. Метод Чохральского и плавающая зона являются популярными методами выращивания кристаллов кремния. [18]
Другие неорганические полупроводниковые монокристаллы включают GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe и ZnTe. Большинство из них также можно настроить с помощью различных легирующих добавок для достижения желаемых свойств. [19] Монокристаллический графен также весьма востребован для применения в электронике и оптоэлектронике из-за его большой подвижности носителей заряда и высокой теплопроводности и остается темой горячих исследований. [20] Одной из основных проблем было выращивание однородных монокристаллов двухслойного или многослойного графена на больших площадях; эпитаксиальный рост и новый CVD (упомянутый выше) входят в число новых многообещающих методов, находящихся в стадии исследования. [21]
Органические полупроводниковые монокристаллы отличаются от неорганических кристаллов. Слабые межмолекулярные связи означают более низкие температуры плавления, более высокое давление пара и большую растворимость. [22] Для роста монокристаллов решающее значение имеет чистота материала, а производство органических материалов обычно требует многих этапов для достижения необходимой чистоты. [23] В настоящее время проводятся обширные исследования по поиску термически стабильных материалов с высокой подвижностью носителей заряда. Прошлые открытия включают нафталин, тетрацен и 9,10-дифенилантацен (ДФА). [24] Производные трифениламина показали себя многообещающе, и недавно, в 2021 году, монокристаллическая структура α-фенил-4'-(дифениламино)стильбена (TPA), выращенная методом растворения, продемонстрировала еще больший потенциал для использования в полупроводниках благодаря своей анизотропной дырке. транспортное имущество. [25]
Монокристаллы обладают уникальными физическими свойствами, поскольку представляют собой единое зерно со строгим расположением молекул и отсутствием границ зерен. [2] Сюда входят оптические свойства, а монокристаллы кремния также используются в качестве оптических окон из-за их прозрачности в определенных длинах волн инфракрасного (ИК) диапазона , что делает их очень полезными для некоторых инструментов. [5]
Сапфиры : Монокристаллы сапфира, также известные ученым как альфа-фаза оксида алюминия (Al 2 O 3 ), широко используются в высокотехнологичной технике. Его можно выращивать из газообразной, твердой фазы или фазы раствора. [10] Диаметр кристаллов, полученных в результате метода выращивания, важен при рассмотрении последующего использования в электронной промышленности. Они используются в лазерах и нелинейной оптике . Некоторые известные применения - это окно биометрического считывателя отпечатков пальцев, оптические диски для долговременного хранения данных и рентгеновский интерферометр. [2]
Фосфид индия : эти монокристаллы особенно подходят для объединения оптоэлектроники с высокоскоростной электроникой в виде оптического волокна с подложками большого диаметра. [26] Другие фотонные устройства включают лазеры, фотодетекторы, лавинные фотодиоды, оптические модуляторы и усилители, устройства обработки сигналов, а также оптоэлектронные и фотонные интегральные схемы. [27]
Германий : это был материал в первом транзисторе, изобретенном Бардином, Браттеном и Шокли в 1947 году. Он используется в некоторых детекторах гамма-излучения и инфракрасной оптике. [28] Теперь он стал объектом внимания сверхбыстрых электронных устройств из-за присущей ему мобильности носителей. [27]
Арсенид : Арсенид III можно комбинировать с различными элементами, такими как B, Al, Ga и In, при этом соединение GaAs пользуется большим спросом для пластин. [27]
Теллурид кадмия : кристаллы CdTe имеют несколько применений в качестве подложек для ИК-изображений, электрооптических устройств и солнечных элементов . [29] Путем сплавления CdTe и ZnTe можно изготовить детекторы рентгеновского и гамма-излучения, работающие при комнатной температуре. [27]
Удивительно, но металлы могут производиться в монокристаллической форме, что дает возможность понять конечные характеристики металлических проводников. Это жизненно важно для понимания фундаментальных наук, таких как каталитическая химия, физика поверхности, электроны и монохроматоры . [4] Производство металлических монокристаллов предъявляет самые высокие требования к качеству и выращивается или вытягивается в виде стержней. [30] Некоторые компании могут производить детали определенной геометрии, канавки, отверстия и опорные поверхности различного диаметра. [19]
Из всех металлических элементов серебро и медь обладают лучшей проводимостью при комнатной температуре, устанавливая планку производительности. [31] Размер рынка, а также колебания предложения и стоимости создали сильные стимулы для поиска альтернатив или поиска способов меньшего их использования за счет повышения производительности.
Проводимость коммерческих проводников часто выражается относительно Международного стандарта отожженной меди , согласно которому самая чистая медная проволока, доступная в 1914 году, имела около 100%. Самый чистый современный медный провод является лучшим проводником, его показатель по этой шкале составляет более 103%. Выгоды происходят из двух источников. Во-первых, современная медь более чистая. Однако этот путь к улучшению, похоже, подходит к концу. Повышение чистоты меди по-прежнему не приводит к существенному улучшению. Во-вторых, были улучшены отжиг и другие процессы. Отжиг уменьшает количество дислокаций и других дефектов кристалла, которые являются источниками сопротивления. Но полученные провода по-прежнему поликристаллические. Границы зерен и оставшиеся кристаллические дефекты ответственны за некоторое остаточное сопротивление. Это можно оценить количественно и лучше понять, исследуя монокристаллы.
Как и ожидалось, монокристаллическая медь имела лучшую проводимость, чем поликристаллическая медь. [32]
Однако монокристаллическая медь не только стала лучшим проводником, чем поликристаллическое серебро высокой чистоты, но при предписанной термообработке и давлении могла превзойти даже монокристаллическое серебро. Хотя примеси обычно плохо влияют на проводимость, лучшим оказался монокристалл серебра с небольшим количеством замещений меди.
По состоянию на 2009 год монокристаллическая медь не производится в промышленных масштабах, но методы производства отдельных кристаллов очень больших размеров для медных проводников используются для высокопроизводительных электрических применений. Их можно считать метамонокристаллами, имеющими всего несколько кристаллов на метр длины.
Другое применение монокристаллических твердых тел — в материаловедении при производстве высокопрочных материалов с низкой термической ползучестью , например лопаток турбин . [36] Здесь отсутствие границ зерен фактически приводит к снижению предела текучести, но, что более важно, уменьшает степень ползучести, что имеет решающее значение для высокотемпературных деталей с жесткими допусками. [37] Исследователь Барри Пирси обнаружил, что изгиб литейной формы под прямым углом уменьшит количество столбчатых кристаллов, а позже ученый Джамеи использовал это, чтобы начать монокристаллическую структуру лопатки турбины. [38]
Монокристаллы необходимы в исследованиях, особенно в физике конденсированного состояния и всех аспектах материаловедения, таких как наука о поверхности . [2] Детальное изучение кристаллической структуры материала с помощью таких методов, как дифракция Брэгга и рассеяние атомов гелия, легче проводить с помощью монокристаллов, поскольку можно изучать направленную зависимость различных свойств и сравнивать их с теоретическими предсказаниями. [39] Кроме того, методы макроскопического усреднения, такие как фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением или дифракция низкоэнергетических электронов, возможны или имеют смысл только на поверхностях монокристаллов. [40] [41] В сверхпроводимости были случаи, когда сверхпроводимость наблюдалась только в монокристаллических образцах. [42] Их можно выращивать для этой цели, даже если в противном случае материал необходим только в поликристаллической форме.
Таким образом, многочисленные новые материалы изучаются в их монокристаллической форме. Молодая область металлоорганических каркасов (МОФ) — одна из многих, которые могут иметь монокристаллы. В январе 2021 года доктор Донг и доктор Фэн продемонстрировали, как можно оптимизировать полициклические ароматические лиганды для получения больших монокристаллов 2D MOF размером до 200 мкм. Это может означать, что ученые смогут изготавливать монокристаллические устройства и определять внутреннюю электропроводность и механизм переноса заряда. [43]
Область фотоуправляемой трансформации также может быть связана с монокристаллами с так называемым превращением монокристалл-монокристалл (SCSC). Они обеспечивают прямое наблюдение за молекулярным движением и понимание деталей механизма. [44] Такое фотопереключение также наблюдалось в передовых исследованиях нефоточувствительных моноядерных мономолекулярных магнитов из лантаноидов (SMM). [45]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )