Materiales de cristal funcionales

Método de preparación

Método de fusión

El crecimiento de cristales a partir de la fusión es uno de los métodos más comunes e importantes para preparar monocristales grandes y monocristales de formas específicas.

La mayoría de los materiales monocristalinos necesarios en aplicaciones técnicas modernas, como la electrónica y la óptica, se preparan mediante métodos de crecimiento por fusión, como el silicio monocristalino, GaAs (nitruro de galio), LiNbO3 (niobato de litio), Nd:YAG (granate de iterbio y aluminio dopado con neodimio), Al2O3 (gema blanca) y ciertos metales alcalinotérreos y compuestos halogenados de metales alcalinotérreos, etc.

En comparación con otros métodos, el crecimiento por fusión suele presentar ventajas como un crecimiento rápido y una alta pureza e integridad de los cristales. El principio básico del crecimiento cristalino por fusión consiste en fundir la materia prima y solidificarla en un monocristal bajo ciertas condiciones. La fusión de la materia prima y la solidificación del fundido son las dos etapas principales.

La masa fundida debe solidificarse de forma direccional bajo condiciones controladas, y el proceso de crecimiento se lleva a cabo mediante el movimiento de la interfase sólido-líquido. Para que crezcan cristales en la masa fundida, la temperatura del sistema debe ser inferior a la temperatura de equilibrio. El estado en el que la temperatura del sistema es inferior a la temperatura de equilibrio se denomina subenfriamiento.

El valor absoluto del subenfriamiento es el grado de subenfriamiento, que indica la magnitud del subenfriamiento del sistema. El grado de subenfriamiento es la fuerza motriz del crecimiento cristalino en el método de fusión. Para una determinada sustancia cristalina, el factor principal que determina la velocidad de crecimiento cristalino a un grado de subenfriamiento dado es la magnitud relativa del gradiente de temperatura entre el cristal y la masa fundida.

Método de solución a temperatura normal

El crecimiento de cristales a partir de una solución tiene la mayor trayectoria y es ampliamente utilizado. El principio básico de este método consiste en disolver el soluto, la materia prima, en un disolvente y tomar las medidas adecuadas para lograr un estado de sobresaturación de la solución en la que se cultivan los cristales. El método de solución presenta las siguientes ventajas:

1. Los cristales pueden cultivarse a temperaturas muy inferiores a su punto de fusión. Muchos cristales se descomponen por debajo de este punto o sufren transformaciones cristalográficas indeseadas, y algunos presentan una alta presión de vapor al fundirse. Esta solución permite que dichos cristales crezcan a una temperatura más baja, evitando así los problemas mencionados. Además, resulta más sencillo seleccionar la fuente de calor y el recipiente de cultivo para el crecimiento de cristales a bajas temperaturas.

2. Viscosidad reducida. Algunos cristales son muy viscosos en estado fundido y no pueden formar cristales, sino que se vuelven vítreos al enfriarse.

3. Es fácil cultivar cristales grandes y uniformes con una forma completa.

4. En la mayoría de los casos, el proceso de crecimiento cristalino puede observarse directamente, lo que facilita el estudio de su cinética. Las desventajas del método de solución son la gran cantidad de componentes, la complejidad de los factores que afectan el crecimiento cristalino, la baja velocidad de crecimiento y el largo período (generalmente decenas de días o incluso más de un año).

Además, el método de disolución requiere un control preciso de la temperatura para el crecimiento de cristales. La condición necesaria para el crecimiento de cristales mediante este método es que la concentración de la disolución sea mayor que la concentración de equilibrio a esa temperatura, es decir, que el grado de sobresaturación sea superior. La fuerza impulsora es el grado de sobresaturación.

Método de solución a alta temperatura

El método de disolución a alta temperatura es un método importante para el crecimiento de cristales y fue uno de los medios utilizados en la alquimia primitiva. El crecimiento de cristales a partir de una disolución o un disolvente de sal fundida a altas temperaturas permite que la fase disuelta crezca a temperaturas muy inferiores a su punto de fusión. Este método presenta las siguientes ventajas con respecto a otros métodos:

1. Gran aplicabilidad: siempre que encuentre el fundente o la combinación de fundentes adecuados, podrá cultivar monocristales.

2. Muchos compuestos refractarios y materiales con puntos de fusión muy volátiles o de alta temperatura, cuando se produce un cambio de valor o de fase, así como compuestos fundidos de composición no idéntica, no pueden crecer directamente a partir de la fusión o no se pueden cultivar monocristales completos de alta calidad. El método de flujo, debido al crecimiento a baja temperatura, muestra una capacidad única debido a la baja temperatura de crecimiento.

Desventajas de la preparación de cristales mediante el método de sales fundidas:

Crecimiento lento de los cristales; difícil de observar; los fundentes suelen ser tóxicos; tamaño pequeño de los cristales; contaminación mutua por fundentes multicomponentes.

Este método es adecuado para la preparación de los siguientes materiales:

(1) materiales con alto punto de fusión;

(2) materiales con transición de fase a baja temperatura;

(3) Componentes con alta presión de vapor. Principio básico: El método de disolución a alta temperatura consiste en disolver un material cristalino en un fundente adecuado a alta temperatura para formar una solución. Su principio básico es el mismo que el del método de disolución a temperatura ambiente. Sin embargo, la elección del fundente y la determinación de la relación de fases de la solución son requisitos indispensables para el crecimiento de cristales mediante este método.

método de fase vapor físico-químico

El denominado método de crecimiento de cristales en fase gaseosa consiste en convertir el material a cultivar en fase gaseosa mediante sublimación, evaporación y descomposición, para luego saturarlo en vapor bajo condiciones adecuadas y permitir su crecimiento cristalino por condensación y cristalización. Las características del crecimiento de cristales mediante el método de fase gaseosa son:

1. Alta pureza de los cristales cultivados;

2. buena integridad de los cristales cultivados;

3. tasa de crecimiento lenta de los cristales;

4. una serie de factores difíciles de controlar, como el gradiente de temperatura, la relación de sobresaturación, el caudal del gas portador, etc. Actualmente, el método de fase gaseosa se utiliza principalmente para el crecimiento de bigotes y el crecimiento de películas epitaxiales (epitaxia homogénea y heterogénea), mientras que el crecimiento de cristales a granel de gran tamaño tiene sus desventajas.

El método de fase vapor se puede dividir en dos tipos principales: físico.

Deposición de vapor (PVD): la transformación de materiales policristalinos en monocristales mediante coalescencia física, como la sublimación-condensación, la epitaxia de haces moleculares y la pulverización catódica;

Deposición química de vapor (CVD): Transformación de materias primas policristalinas en monocristales a través de la fase gaseosa mediante procesos químicos, como el método de transporte químico, el método de descomposición de gases, el método de síntesis de gases y el método MOCVD.