Funktsional kristall materiallar

Tayyorlash usuli

Eritish usuli

Eritmadan kristallarning o'sishi yirik monokristallar va o'ziga xos shakldagi monokristallarni tayyorlashning eng keng tarqalgan va muhim usullaridan biridir.

Elektronika va optika kabi zamonaviy texnik ilovalarda zarur bo'lgan yagona kristalli materiallarning aksariyati monokristalli kremniy, GaAs (galiy nitridi), LiNbO3 (litiy niobat), Nd: YAG (neodimiy qo'shilgan iterbiy alyuminiy) kabi eritma o'sishi usullari bilan tayyorlanadi. granat), Al2O3 (oq qimmatbaho tosh) va ba'zi gidroksidi tuproq metallari va ishqoriy tuproq metallarining galogenli birikmalari va boshqalar.

Boshqa usullar bilan solishtirganda, eritma o'sishi odatda tez o'sishi va kristallarning yuqori tozaligi va yaxlitligi afzalliklariga ega. Eritma usuli bilan kristall o'sishining oddiy printsipi kristall o'sishi uchun xom ashyoni eritib, ma'lum sharoitlarda uni yagona kristall holiga keltirishdir. Xom ashyoning erishi va eritmaning qattiqlashishi ikkita asosiy bosqichdir.

Eritma boshqariladigan sharoitlarda yo'nalishli tarzda qotib qolishi kerak va o'sish jarayoni qattiq-suyuqlik interfeysining harakati bilan amalga oshiriladi. Eritmada kristallarni etishtirish uchun tizimning harorati muvozanat haroratidan past bo'lishi kerak. Tizim harorati muvozanat haroratidan past bo'lgan holat subcooling bo'ladi.

Subcoolingning mutlaq qiymati tizimning pastki sovutish kattaligini ko'rsatadigan pastki sovutish darajasidir. Eritish usulida kristall o'sishi uchun harakatlantiruvchi kuch subsovutish darajasidir. Muayyan kristalli modda uchun ma'lum darajada to'liq sovutishda kristalning o'sish tezligini belgilovchi asosiy omil kristall va eritma orasidagi harorat gradientining nisbiy o'lchamidir.

Oddiy haroratli eritma usuli

Eritmadan kristallarning o'sishi eng uzoq tarixga ega va keng qo'llaniladi. Ushbu usulning asosiy printsipi xomashyo erigan moddasini erituvchida eritib, kristallar o'sadigan eritmaning o'ta to'yingan holatini keltirib chiqarish uchun tegishli choralarni ko'rishdir. Yechim usuli quyidagi afzalliklarga ega:

1. Kristallarni erish nuqtasidan ancha past haroratlarda etishtirish mumkin. Erish nuqtasi ostida parchalanadigan yoki istalmagan kristallografik o'zgarishlarga uchragan ko'plab kristallar mavjud va ba'zilari erish paytida yuqori bug' bosimiga ega. Yechim bu kristallarning pastroq haroratda o'sishiga imkon beradi va shu bilan yuqoridagi muammolardan qochadi. Bundan tashqari, past haroratlarda kristallar o'sishi uchun issiqlik manbai va o'sish idishini tanlash osonroq.

2. Qopqoqligining pasayishi. Ba'zi kristallar erigan holatda juda yopishqoq bo'lib, ular sovutilganda kristallar hosil qila olmaydi va shishasimon bo'ladi.

3. to'liq shaklga ega bo'lgan yirik, bir xil kristallarga aylanishi oson.

4. ko'p hollarda kristall o'sish jarayonini bevosita kuzatish mumkin, bu kristall o'sish kinetikasini o'rganishni osonlashtiradi. Yechim usulining kamchiliklari ko'plab komponentlar, kristall o'sishiga ta'sir qiluvchi omillarning murakkabligi, sekin o'sish tezligi va uzoq muddat (odatda o'nlab kunlar yoki hatto bir yildan ko'proq vaqtni oladi).

Bundan tashqari, eritma usuli kristall o'sishi uchun haroratni nazorat qilishda yuqori aniqlikni talab qiladi. Eritma usuli bilan kristall o'sishining zaruriy sharti: eritmaning konsentratsiyasi o'sha haroratdagi muvozanat konsentratsiyasidan, ya'ni o'ta to'yinganlik darajasidan katta. Harakatlantiruvchi kuch - supersaturatsiya darajasi.

Yuqori haroratli eritma usuli

Yuqori haroratli eritma usuli kristallarni etishtirishning muhim usuli bo'lib, erta alkimyoda qo'llaniladigan vositalardan biri edi. Yuqori haroratda eritma yoki erigan tuz erituvchisidan kristallarni etishtirish erigan fazaning erish nuqtasidan ancha past haroratlarda o'sishiga imkon beradi. Ushbu usul boshqa usullarga nisbatan quyidagi afzalliklarga ega:

1. kuchli qo'llanilishi, mos keladigan oqim yoki oqimlarning kombinatsiyasini topa olsangiz, bitta kristall o'sishi mumkin.

2. ko'p o'tga chidamli birikmalar va erish nuqtasida juda uchuvchan yoki yuqori harorat qiymatning o'zgarishi yoki fazani o'zgartirish materiallari, shuningdek, eritilgan birikmalarning bir xil bo'lmagan tarkibi, to'g'ridan-to'g'ri eritmadan o'sishi yoki o'sishi mumkin emas. to'liq yuqori sifatli monokristallar, past haroratning o'sishi tufayli oqim usuli, ko'rsatuvchi oqim usuli past o'sish harorati tufayli noyob qobiliyatni ko'rsatadi.

Eritilgan tuz usuli bilan kristall tayyorlashning kamchiliklari:

kristallarning sekin o'sishi; kuzatish oson emas; oqimlar ko'pincha toksikdir; kichik kristal o'lchami; ko'p komponentli oqimlar bilan o'zaro ifloslanish.

Ushbu usul quyidagi materiallarni tayyorlash uchun javob beradi:

(1) yuqori erish nuqtasi bo'lgan materiallar;

(2) past haroratda fazali o'tishga ega bo'lgan materiallar;

(3) komponentlarda bug 'bosimi yuqori bo'lgan komponentlar. Asosiy printsip: Yuqori haroratli eritma usuli - bu eritma hosil qilish uchun yuqori harorat sharoitida mos oqimda erigan kristalli material va uning asosiy printsipi xona haroratidagi eritma usuli bilan bir xil. Biroq, oqimni tanlash va eritmaning fazaviy munosabatlarini aniqlash yuqori haroratli eritma usulida kristallarning o'sishi uchun zaruriy shartdir.

Fizik-kimyoviy bug 'fazasi usuli

Kristal o'sishi uchun gaz fazasi deb ataladigan usul - bu o'stiriladigan kristall materialni sublimatsiya, bug'lanish va parchalanish jarayoni orqali gaz fazasiga aylantirish, so'ngra uni tegishli sharoitlarda to'yingan bug'ga aylantirish va kondensatsiya va kristallga aylantirishdir. kristallanish. Gaz fazasi usuli bilan kristall o'sishining xususiyatlari:

1. yetishtirilgan kristallarning yuqori tozaligi;

2. yetishtirilgan kristallarning yaxshi yaxlitligi;

3. kristallarning sekin o'sish tezligi;

4. nazorat qilish qiyin bo'lgan bir qator omillar, masalan, harorat gradienti, o'ta to'yinganlik nisbati, tashuvchi gazning oqim tezligi va boshqalar. Hozirgi vaqtda gaz fazasi usuli asosan mo'ylov o'sishi va epitaksial plyonkalarning o'sishi uchun qo'llaniladi (bir hil va heterojen epitaksiya), katta hajmdagi quyma kristallarning o'sishi esa o'zining kamchiliklariga ega.

Bug 'fazasi usulini ikkita asosiy turga bo'lish mumkin: Jismoniy

Bug 'cho'kishi (PVD): sublimatsiya-kondensatsiya, molekulyar nur epitaksisi va katodli püskürtme kabi jismoniy birlashma orqali polikristalli materiallarning monokristallarga aylanishi;

Kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD): Polikristal xom ashyoni kimyoviy transport usuli, gazni parchalash usuli, gaz sintezi usuli va MOCVD usuli kabi kimyoviy jarayonlar orqali gaz fazasi orqali yagona kristallarga aylantirish.