Bahan Kristal Fungsional

Metode Persiapan

Metode Leleh

Pertumbuhan kristal dari lelehan adalah salah satu metode paling umum dan penting untuk menyiapkan kristal tunggal berukuran besar dan kristal tunggal dengan bentuk tertentu.

Sebagian besar bahan kristal tunggal yang dibutuhkan dalam aplikasi teknis modern seperti elektronik dan optik dibuat dengan metode pertumbuhan leleh, seperti silikon kristal tunggal, GaAs (gallium nitrida), LiNbO3 (lithium niobate), Nd:YAG (ytterbium aluminium garnet yang didoping neodymium), Al2O3 (batu permata putih) dan logam alkali tanah tertentu dan senyawa terhalogenasi dari logam alkali tanah, dll.

Dibandingkan dengan metode lain, pertumbuhan lelehan biasanya memiliki keunggulan pertumbuhan yang cepat dan kemurnian serta integritas kristal yang tinggi. Prinsip sederhana pertumbuhan kristal dengan metode peleburan adalah dengan melelehkan bahan baku pertumbuhan kristal dan memadatkannya menjadi a kristal tunggal dalam kondisi tertentu. Pencairan bahan mentah dan pemadatan lelehan adalah dua langkah utama.

Lelehan harus dipadatkan secara terarah dalam kondisi terkendali, dan proses pertumbuhan dicapai dengan pergerakan antarmuka padat-cair. Untuk menumbuhkan kristal dalam lelehan, suhu sistem harus berada di bawah suhu kesetimbangan. Keadaan dimana suhu sistem berada di bawah suhu kesetimbangan menjadi subcooling.

Nilai absolut dari subcooling adalah derajat subcooling, yang menunjukkan besarnya subcooling pada sistem. Tingkat subcooling adalah kekuatan pendorong pertumbuhan kristal dalam metode peleburan. Untuk zat kristal tertentu, faktor utama yang menentukan laju pertumbuhan kristal pada derajat subcooling tertentu adalah ukuran relatif gradien suhu antara kristal dan lelehan.

Metode Solusi Suhu Normal

Pertumbuhan kristal dari larutan memiliki sejarah terpanjang dan digunakan secara luas. Prinsip dasar metode ini adalah melarutkan zat terlarut bahan mentah dalam pelarut dan mengambil tindakan yang tepat untuk menyebabkan keadaan lewat jenuh larutan tempat kristal ditumbuhkan. Metode penyelesaian mempunyai keuntungan sebagai berikut:

1. Kristal dapat tumbuh pada suhu jauh di bawah titik lelehnya. Ada banyak kristal yang terurai di bawah titik lelehnya titik atau mengalami transformasi kristalografi yang tidak diinginkan, dan beberapa memiliki tekanan uap tinggi saat meleleh. Itu larutan memungkinkan kristal ini tumbuh pada suhu yang lebih rendah, sehingga menghindari masalah di atas. Selain itu, sumber panas dan wadah pertumbuhan untuk membuat kristal tumbuh pada suhu rendah lebih mudah dipilih.

2. Mengurangi viskositas. Beberapa kristal sangat kental dalam keadaan cair dan tidak dapat membentuk kristal serta menjadi seperti kaca ketika didinginkan.

3. mudah tumbuh menjadi kristal besar dan seragam dengan bentuk yang lengkap.

4. Dalam kebanyakan kasus, proses pertumbuhan kristal dapat diamati secara langsung, yang memfasilitasi studi kinetika pertumbuhan kristal. Kekurangannya metode solusinya adalah banyaknya komponen, kompleksitas faktor yang mempengaruhi pertumbuhan kristal, lambatnya laju pertumbuhan, dan jangka waktu yang lama (biasanya memakan waktu puluhan hari bahkan lebih dari satu tahun).

Selain itu, metode larutan memerlukan ketelitian tinggi dalam pengendalian suhu untuk pertumbuhan kristal. Kondisi yang diperlukan untuk pertumbuhan kristal dengan metode larutan: konsentrasi larutan lebih besar dari konsentrasi kesetimbangan pada saat itu suhu, yaitu derajat kejenuhan. Kekuatan pendorongnya adalah derajat lewat jenuh.

Metode larutan suhu tinggi

Metode larutan suhu tinggi merupakan metode penting untuk menumbuhkan kristal dan merupakan salah satu cara yang digunakan dalam alkimia awal. Menumbuhkan kristal dari larutan atau pelarut garam cair pada suhu tinggi memungkinkan fase zat terlarut tumbuh pada suhu jauh di bawah titik lelehnya. Metode ini mempunyai kelebihan dibandingkan metode lainnya:

1. penerapan yang kuat, selama Anda dapat menemukan fluks atau kombinasi fluks yang sesuai, Anda dapat menumbuhkan kristal tunggal.

2. banyak senyawa tahan api dan pada titik lebur sangat mudah menguap atau suhu tinggi ketika perubahan nilai atau perubahan fasa bahan, serta komposisi senyawa cair yang tidak identik, tidak dapat langsung dari lelehan untuk tumbuh atau tidak dapat tumbuh kristal tunggal lengkap berkualitas tinggi, metode fluks karena pertumbuhan suhu rendah, menunjukkan Metode fluks menunjukkan kemampuan unik karena suhu pertumbuhan yang rendah.

Kerugian dari preparasi kristal dengan metode garam cair:

pertumbuhan kristal lambat; tidak mudah untuk diamati; fluks seringkali beracun; ukuran kristal kecil; kontaminasi timbal balik oleh fluks multi-komponen.

Metode ini cocok untuk menyiapkan bahan-bahan berikut:

(1) bahan dengan titik leleh tinggi;

(2) bahan dengan transisi fasa pada suhu rendah;

(3) komponen dengan tekanan uap tinggi di dalam komponen. Prinsip dasar: Metode larutan suhu tinggi adalah bahan kristal yang dilarutkan dalam fluks yang sesuai pada kondisi suhu tinggi untuk membentuk larutan, dan prinsip dasarnya sama dengan metode larutan suhu kamar. Namun, pemilihan fluks dan penentuan hubungan fasa larutan merupakan prasyarat untuk pertumbuhan kristal dalam metode larutan suhu tinggi.

Metode fase uap fisika-kimia

Yang disebut metode fase gas untuk pertumbuhan kristal adalah dengan mengubah bahan kristal untuk ditumbuhkan menjadi fase gas melalui proses sublimasi, penguapan dan dekomposisi, kemudian menjadikannya menjadi uap jenuh kondisi yang sesuai dan tumbuh menjadi kristal melalui kondensasi dan kristalisasi. Ciri-ciri kristal pertumbuhan dengan metode fase gas adalah:

1. kemurnian tinggi dari kristal yang tumbuh;

2. integritas yang baik dari kristal yang tumbuh;

3. laju pertumbuhan kristal yang lambat;

4. serangkaian faktor yang sulit dikendalikan, seperti gradien suhu, rasio lewat jenuh, laju aliran gas pembawa, dll. Saat ini, metode fase gas terutama digunakan untuk pertumbuhan kumis dan pertumbuhan film epitaksi (epitaksi homogen dan heterogen), sedangkan pertumbuhan kristal curah ukuran besar memiliki kelemahan.

Metode fase uap dapat dibagi menjadi dua jenis utama: Fisik

Deposisi Uap (PVD): transformasi bahan polikristalin menjadi kristal tunggal secara fisik penggabungan, seperti sublimasi-kondensasi, epitaksi berkas molekul dan sputtering katodik;

Deposisi Uap Kimia (CVD): Transformasi bahan mentah polikristalin menjadi kristal tunggal melalui gas fase demi proses kimia, seperti metode transportasi kimia, metode dekomposisi gas, metode sintesis gas dan MOCVD metode.