Matériaux cristallins fonctionnels

Méthode de préparation

Méthode de fusion

La croissance de cristaux à partir d’une matière fondue est l’une des méthodes les plus courantes et les plus importantes pour préparer de gros monocristaux et des monocristaux de formes spécifiques.

La plupart des matériaux monocristallins nécessaires aux applications techniques modernes telles que l'électronique et l'optique sont préparés par des méthodes de croissance en fusion, telles que le silicium monocristallin, GaAs (nitrure de gallium), LiNbO3 (niobate de lithium), Nd:YAG (aluminium ytterbium dopé au néodyme). grenat), Al2O3 (pierre précieuse blanche) et certains métaux alcalino-terreux et composés halogénés de métaux alcalino-terreux, etc.

Par rapport à d’autres méthodes, la croissance à l’état fondu présente généralement les avantages d’une croissance rapide et d’une pureté et d’une intégrité élevées des cristaux. Le principe simple de la croissance cristalline par la méthode de fusion consiste à faire fondre la matière première pour la croissance cristalline et à la solidifier en un monocristal dans certaines conditions. La fusion de la matière première et la solidification du bain fondu sont les deux étapes majeures.

La masse fondue doit être solidifiée de manière directionnelle dans des conditions contrôlées, et le processus de croissance est accompli par le mouvement de l'interface solide-liquide. Pour faire croître des cristaux dans la masse fondue, la température du système doit être inférieure à la température d'équilibre. L’état dans lequel la température du système est inférieure à la température d’équilibre devient un sous-refroidissement.

La valeur absolue du sous-refroidissement est le degré de sous-refroidissement, qui indique l'ampleur du sous-refroidissement du système. Le degré de sous-refroidissement est la force motrice de la croissance des cristaux dans la méthode de fusion. Pour une certaine substance cristalline, le principal facteur qui détermine le taux de croissance des cristaux à un certain degré de sous-refroidissement est la taille relative du gradient de température entre le cristal et la masse fondue.

Méthode de solution à température normale

La croissance de cristaux à partir d’une solution est celle qui a l’histoire la plus longue et est largement utilisée. Le principe de base de cette méthode est de dissoudre le soluté de la matière première dans un solvant et de prendre les mesures appropriées pour provoquer un état sursaturé de la solution dans laquelle les cristaux se développent. La méthode de résolution présente les avantages suivants :

1. Les cristaux peuvent croître à des températures bien inférieures à leur point de fusion. De nombreux cristaux se décomposent en dessous de leur point de fusion ou subissent des transformations cristallographiques indésirables, et certains ont une pression de vapeur élevée lors de la fusion. La solution permet à ces cristaux de croître à une température plus basse, évitant ainsi les problèmes ci-dessus. De plus, la source de chaleur et le récipient de croissance permettant de faire croître les cristaux à basse température sont plus faciles à choisir.

2. Viscosité réduite. Certains cristaux sont très visqueux à l’état fondu et ne peuvent pas former de cristaux ni devenir vitreux lorsqu’ils sont refroidis.

3. Il est facile de se développer en gros cristaux uniformes avec une forme complète.

4. dans la plupart des cas, le processus de croissance cristalline peut être directement observé, ce qui facilite l'étude de la cinétique de croissance cristalline. Les inconvénients de la méthode de résolution sont les nombreux composants, la complexité des facteurs affectant la croissance des cristaux, le taux de croissance lent et la longue période (cela prend généralement des dizaines de jours, voire plus d'un an).

De plus, la méthode de mise en solution nécessite une grande précision dans le contrôle de la température pour la croissance des cristaux. La condition nécessaire à la croissance cristalline par la méthode de la solution : la concentration de la solution est supérieure à la concentration d'équilibre à cette température, c'est-à-dire le degré de sursaturation. La force motrice est le degré de sursaturation.

Méthode de solution à haute température

La méthode de solution à haute température est une méthode importante pour la croissance des cristaux et était l’un des moyens utilisés au début de l’alchimie. La croissance de cristaux à partir d'une solution ou d'un solvant salin fondu à des températures élevées permet à la phase solutée de se développer à des températures bien inférieures à son point de fusion. Cette méthode présente les avantages suivants par rapport aux autres méthodes :

1. Forte applicabilité, tant que vous pouvez trouver le flux ou la combinaison de flux appropriée, vous pouvez faire pousser des monocristaux.

2. De nombreux composés réfractaires et leur point de fusion sont très volatils ou à haute température lorsque le changement de valeur ou le changement de phase des matériaux, ainsi que la composition non identique des composés fondus, ne peuvent pas se développer directement à partir de la fusion ou ne peuvent pas se développer. une méthode de flux complète de monocristaux de haute qualité en raison de la croissance à basse température, montrant la méthode de flux montre une capacité unique en raison de la faible température de croissance.

Inconvénients de la préparation des cristaux par la méthode des sels fondus :

croissance cristalline lente; pas facile à observer ; les flux sont souvent toxiques ; petite taille de cristal ; contamination mutuelle par des flux multi-composants.

Cette méthode convient à la préparation des matériaux suivants :

(1) matériaux à point de fusion élevé ;

(2) matériaux à transition de phase à basse température ;

(3) composants avec une pression de vapeur élevée dans les composants. Principe de base : La méthode de solution à haute température est un matériau cristallin dissous dans un flux approprié dans des conditions de température élevée pour former une solution, et son principe de base est le même que celui de la méthode de solution à température ambiante. Cependant, le choix du flux et la détermination de la relation de phase de la solution sont une condition préalable à la croissance des cristaux dans la méthode de solution à haute température.

Méthode physico-chimique en phase vapeur

La méthode dite en phase gazeuse pour la croissance cristalline consiste à convertir le matériau cristallin à développer en phase gazeuse par le processus de sublimation, d'évaporation et de décomposition, puis à le transformer en vapeur saturée dans des conditions appropriées et à se transformer en cristal par condensation et cristallisation. Les caractéristiques de la croissance cristalline par la méthode en phase gazeuse sont :

1. haute pureté des cristaux cultivés ;

2. bonne intégrité des cristaux développés ;

3. taux de croissance lent des cristaux ;

4. une série de facteurs difficiles à contrôler, tels que le gradient de température, le taux de sursaturation, le débit du gaz porteur, etc. Actuellement, la méthode en phase gazeuse est principalement utilisée pour la croissance de moustaches et la croissance de films épitaxiaux (homogènes et épitaxie hétérogène), tandis que la croissance de cristaux massifs de grande taille présente des inconvénients.

La méthode en phase vapeur peut être divisée en deux types principaux : Physique

Dépôt en phase vapeur (PVD) : transformation de matériaux polycristallins en monocristaux par coalescence physique, telle que sublimation-condensation, épitaxie par jet moléculaire et pulvérisation cathodique ;

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : Transformation de matières premières polycristallines en monocristaux par phase gazeuse par des processus chimiques, tels que la méthode de transport chimique, la méthode de décomposition gazeuse, la méthode de synthèse gazeuse et la méthode MOCVD.