Vật liệu tinh thể chức năng

Phương pháp chuẩn bị

Phương pháp tan chảy

Sự phát triển của tinh thể từ sự tan chảy là một trong những phương pháp phổ biến và quan trọng nhất để chuẩn bị các tinh thể đơn lớn và các tinh thể đơn có hình dạng cụ thể.

Hầu hết các vật liệu đơn tinh thể cần thiết trong các ứng dụng kỹ thuật hiện đại như điện tử và quang học đều được điều chế bằng phương pháp tăng trưởng nóng chảy, chẳng hạn như silicon đơn tinh thể, GaAs (gallium nitride), LiNbO3 (lithium niobate), Nd:YAG (nhôm ytterbium pha tạp neodymium). garnet), Al2O3 (đá quý màu trắng) và một số kim loại kiềm thổ và các hợp chất halogen hóa của kim loại kiềm thổ, v.v.

So với các phương pháp khác, tăng trưởng nóng chảy thường có ưu điểm là tăng trưởng nhanh và độ tinh khiết và tính toàn vẹn cao của tinh thể. Nguyên tắc đơn giản của sự phát triển tinh thể bằng phương pháp nấu chảy là làm tan chảy nguyên liệu thô để phát triển tinh thể và đông cứng nó thành một tinh thể duy nhất trong những điều kiện nhất định. Sự tan chảy của nguyên liệu thô và quá trình hóa rắn của sự tan chảy là hai bước chính.

Sự tan chảy phải được đông cứng theo cách định hướng trong các điều kiện được kiểm soát và quá trình tăng trưởng được thực hiện bằng sự chuyển động của bề mặt rắn-lỏng. Để phát triển tinh thể trong môi trường nóng chảy, nhiệt độ của hệ thống phải thấp hơn nhiệt độ cân bằng. Trạng thái mà nhiệt độ hệ thống thấp hơn nhiệt độ cân bằng sẽ trở thành trạng thái hạ nhiệt.

Giá trị tuyệt đối của việc làm mát phụ là mức độ làm mát phụ, biểu thị mức độ làm mát phụ của hệ thống. Mức độ làm lạnh phụ là động lực cho sự phát triển tinh thể trong phương pháp nấu chảy. Đối với một chất kết tinh nhất định, yếu tố chính quyết định tốc độ phát triển tinh thể ở một mức độ làm lạnh phụ nhất định là kích thước tương đối của gradient nhiệt độ giữa tinh thể và chất tan chảy.

Phương pháp giải pháp nhiệt độ bình thường

Sự phát triển của tinh thể từ dung dịch có lịch sử lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là hòa tan chất tan nguyên liệu thô trong dung môi và thực hiện các biện pháp thích hợp để tạo ra trạng thái siêu bão hòa của dung dịch mà tinh thể được phát triển. Phương pháp giải có những ưu điểm sau:

1. Tinh thể có thể được hình thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của chúng. Có nhiều tinh thể bị phân hủy dưới điểm nóng chảy hoặc trải qua những biến đổi tinh thể không mong muốn và một số có áp suất hơi cao khi tan chảy. Giải pháp cho phép các tinh thể này phát triển ở nhiệt độ thấp hơn, do đó tránh được các vấn đề trên. Ngoài ra, nguồn nhiệt và bình tăng trưởng để làm tinh thể phát triển ở nhiệt độ thấp cũng dễ dàng lựa chọn hơn.

2. Giảm độ nhớt. Một số tinh thể rất nhớt ở trạng thái nóng chảy và không thể tạo thành tinh thể và trở nên thủy tinh khi chúng được làm lạnh.

3. Dễ dàng phát triển thành các tinh thể lớn, đồng nhất với hình dạng hoàn chỉnh.

4. trong hầu hết các trường hợp, quá trình phát triển tinh thể có thể được quan sát trực tiếp, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu động học phát triển tinh thể. Nhược điểm của phương pháp giải là nhiều thành phần, độ phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể, tốc độ phát triển chậm và thời gian dài (thường phải mất hàng chục ngày, thậm chí hơn một năm).

Ngoài ra, phương pháp giải pháp đòi hỏi độ chính xác cao trong việc kiểm soát nhiệt độ cho sự phát triển của tinh thể. Điều kiện cần cho sự phát triển tinh thể bằng phương pháp dung dịch: nồng độ của dung dịch lớn hơn nồng độ cân bằng ở nhiệt độ đó, tức là độ quá bão hòa. Động lực là mức độ siêu bão hòa.

Phương pháp giải pháp nhiệt độ cao

Phương pháp dung dịch nhiệt độ cao là một phương pháp quan trọng để phát triển tinh thể và là một trong những phương pháp được sử dụng trong thuật giả kim thời kỳ đầu. Việc phát triển các tinh thể từ dung dịch hoặc dung môi muối nóng chảy ở nhiệt độ cao cho phép pha chất tan phát triển ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của nó. Phương pháp này có những ưu điểm sau so với các phương pháp khác:

1. khả năng ứng dụng mạnh mẽ, miễn là bạn có thể tìm thấy dòng hoặc sự kết hợp của dòng thích hợp, bạn có thể phát triển các tinh thể đơn lẻ.

2. nhiều hợp chất chịu lửa và ở điểm nóng chảy rất dễ bay hơi hoặc nhiệt độ cao khi thay đổi giá trị hoặc vật liệu thay đổi pha, cũng như thành phần không giống nhau của các hợp chất nóng chảy, không thể trực tiếp từ sự tan chảy để phát triển hoặc không thể phát triển một phương pháp thông lượng, đơn tinh thể chất lượng cao hoàn chỉnh do sự tăng trưởng của nhiệt độ thấp, cho thấy phương pháp thông lượng cho thấy một khả năng độc đáo do nhiệt độ tăng trưởng thấp.

Nhược điểm của việc điều chế tinh thể bằng phương pháp muối nóng chảy:

tinh thể phát triển chậm; không dễ quan sát; chất trợ dung thường độc hại; kích thước tinh thể nhỏ; ô nhiễm lẫn nhau bởi thông lượng đa thành phần.

Phương pháp này phù hợp để chuẩn bị các vật liệu sau:

(1) vật liệu có điểm nóng chảy cao;

(2) vật liệu chuyển pha ở nhiệt độ thấp;

(3) các thành phần có áp suất hơi cao trong các thành phần. Nguyên tắc cơ bản: Phương pháp dung dịch nhiệt độ cao là vật liệu kết tinh được hòa tan trong dòng thích hợp trong điều kiện nhiệt độ cao để tạo thành dung dịch và nguyên lý cơ bản của nó giống như phương pháp dung dịch ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, việc lựa chọn từ thông và xác định mối quan hệ pha của dung dịch là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của tinh thể trong phương pháp dung dịch nhiệt độ cao.

Phương pháp pha hơi hóa lý

Cái gọi là phương pháp pha khí để phát triển tinh thể là chuyển đổi vật liệu tinh thể được phát triển thành pha khí thông qua quá trình thăng hoa, bay hơi và phân hủy, sau đó làm cho nó trở thành hơi bão hòa thông qua các điều kiện thích hợp và phát triển thành tinh thể bằng cách ngưng tụ và kết tinh. Đặc điểm của sự phát triển tinh thể bằng phương pháp pha khí là:

1. tinh thể phát triển có độ tinh khiết cao;

2. tính toàn vẹn tốt của tinh thể phát triển;

3. tốc độ tăng trưởng chậm của tinh thể;

4. một loạt các yếu tố khó kiểm soát, chẳng hạn như độ dốc nhiệt độ, tỷ lệ siêu bão hòa, tốc độ dòng khí mang, v.v. Hiện nay, phương pháp pha khí chủ yếu được sử dụng để tăng trưởng râu và tăng trưởng của màng epiticular (đồng nhất và epitaxy không đồng nhất), trong khi sự phát triển của các tinh thể khối kích thước lớn có những nhược điểm.

Phương pháp pha hơi có thể được chia thành hai loại chính:

Sự lắng đọng hơi (PVD): sự biến đổi các vật liệu đa tinh thể thành các tinh thể đơn lẻ bằng sự kết tụ vật lý, chẳng hạn như ngưng tụ thăng hoa, epitaxy chùm phân tử và phún xạ catốt;

Lắng đọng hơi hóa học (CVD): Biến đổi nguyên liệu thô đa tinh thể thành các tinh thể đơn qua pha khí bằng các quá trình hóa học, như phương pháp vận chuyển hóa học, phương pháp phân hủy khí, phương pháp tổng hợp khí và phương pháp MOCVD.