Monokrystal - Single crystal
 | tento článek potřebuje další citace pro ověření. (Únor 2010) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
A monokrystalnebo monokrystalický, pevný je materiál, ve kterém krystalová mříž celého vzorku je spojitý a nepřerušovaný k okrajům vzorku, bez č hranice zrn. Absence defektů spojených s hranicemi zrn může dát monokrystalům jedinečné vlastnosti, zejména mechanické, optické a elektrické, které mohou být také anizotropní, v závislosti na typu krystalografické struktura. Tyto vlastnosti, kromě toho, že jsou v některých drahokamech vzácné, se průmyslově používají v technologických aplikacích, zejména v optice a elektronice.
Protože entropický účinky upřednostňují přítomnost některých nedokonalostí v mikrostruktuře pevných látek, jako např nečistoty, nehomogenní kmen a krystalografické vady jako např dislokace, dokonalé jednotlivé krystaly smysluplné velikosti jsou v přírodě mimořádně vzácné a je také obtížné je vyrábět v laboratoři, i když je lze vyrábět za kontrolovaných podmínek. Na druhou stranu nedokonalé jednotlivé krystaly mohou v přírodě dosáhnout obrovských velikostí: několik minerální druhy jako beryl, sádra a živce je známo, že produkovaly krystaly několik metrů napříč.
Opakem jediného krystalu je amorfní struktura, kde je atomová poloha omezena pouze na krátkou vzdálenost. Mezi těmito dvěma extrémy existují polykrystalický, který je tvořen řadou menších krystalů známých jako krystality, a parakrystalický fáze.
Použití
Polovodičový průmysl
Monokrystalický křemík se používá v výroba polovodičů. Na kvantová škálovat to mikroprocesory pracovat dál, přítomnost hranic zrn by měla významný dopad na funkčnost tranzistory s efektem pole změnou místních elektrických vlastností. Výrobci mikroprocesorů proto investovali značné prostředky do zařízení na výrobu velkých monokrystalů křemíku.
Optika
![[ikona]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Tato sekce potřebuje expanzi. Můžete pomoci přidávat k tomu. (Dubna 2009) |
- Monokrystaly z safír a další materiály se používají pro lasery a nelineární optika.
- Monokrystaly z fluorit se někdy používají v objektivu objektivu apochromatický refrakční dalekohledy.[Citace je zapotřebí ]
Materiálové inženýrství
Další aplikací monokrystalických pevných látek je ve vědě o materiálech při výrobě vysoce pevných materiálů s nízkou tepelnou odolností plížit se, jako lopatky turbíny.[1][2] Zde absence hranic zrn ve skutečnosti dává pokles meze kluzu, ale co je důležitější, snižuje množství tečení, které je kritické pro aplikace dílů s vysokou teplotou a úzkou tolerancí.
Elektrické vodiče
Monokrystaly poskytují prostředky k pochopení a možná i realizaci konečného výkonu kovových vodičů.
Ze všech kovových prvků má stříbro a měď nejlepší vodivost při pokojové teplotě, proto nastavte laťku výkonu. Velikost trhu a vrtochy v nabídce a nákladech poskytly silné pobídky k hledání alternativ nebo hledání způsobů, jak využít méně z nich zlepšením výkonu.
Vodivost komerčních vodičů je často vyjádřena ve vztahu k Mezinárodní standard žíhané mědi, podle kterého nejčistší měděný drát dostupný v roce 1914 měřil kolem 100%. Nejčistší moderní měděný drát je lepší vodič, který v tomto měřítku měří přes 103%. Zisky pocházejí ze dvou zdrojů. Za prvé, moderní měď je čistší. Zdá se však, že tato cesta ke zlepšení je u konce. Výroba mědi čistší stále nepřináší žádné významné zlepšení. Druhý, žíhání a další procesy byly vylepšeny. Žíhání snižuje dislokace a další vady krystalů, které jsou zdrojem odporu. Ale výsledné dráty jsou stále polykrystalické. Hranice zrn a zbývající defekty krystalu jsou zodpovědné za určitou zbytkovou odolnost. To lze kvantifikovat a lépe pochopit zkoumáním jednotlivých krystalů.
Jak se dalo očekávat, monokrystalická měď prokázala lepší vodivost než polykrystalická měď.[3]
| Materiál | ρ (μΩ ∙ cm) | IACS [5] |
|---|---|---|
| Monokrystal Ag, dotovaný 3 mol% Cu | 1.35 | 127% |
| Monokrystalický Cu, dále zpracovaný[6] | 1.472 | 117.1% |
| Monokrystal Ag | 1.49 | 115.4% |
| Monokrystalický Cu | 1.52 | 113.4% |
| Vysoce čistý Ag drát (polykrystalický) | 1.59 | 108% |
| Vysoce čistý Cu drát (polykrystalický) | 1.67 | ˃103% |
V obchodě však byla překvapení (viz tabulka). Monokrystalická měď se stala nejen lepším vodičem než polykrystalické stříbro s vysokou čistotou, ale předepsaným tepelným a tlakovým zpracováním mohla překonat i monokrystalické stříbro. A i když jsou nečistoty obvykle špatně vodivé, byl stříbrný monokrystal s malým množstvím měděných substitucí lepším vodičem než všechny ostatní.
Od roku 2009 se žádná monokrystalická měď nevyrábí průmyslově ve velkém měřítku, ale metody výroby velmi velkých jednotlivých velikostí krystalů pro měděné vodiče se využívají pro vysoce výkonné elektrické aplikace. Ty lze považovat za meta-jednotlivé krystaly s pouze několika krystaly na metr délky.
Ve výzkumu
Monokrystaly jsou zvláště důležité ve výzkumu fyzika kondenzovaných látek, věda o materiálech, věda o povrchu atd. Podrobná studie Krystalická struktura materiálu technikami, jako je Braggova difrakce a rozptyl atomu hélia je mnohem jednodušší s monokrystaly. Pouze u monokrystalů je možné studovat směrovou závislost různých vlastností, pokud mají být porovnány s teoretickými předpovědi. Makroskopické průměrování technik, jako je úhlově rozlišená fotoemisní spektroskopie nebo nízkoenergetická elektronová difrakce jsou možné nebo smysluplné pouze na površích monokrystalů. Místní sondy jako např skenovací tunelovací mikroskopie může získat smysluplné výsledky i z polykrystalů. v supravodivost vyskytly se případy materiálů, kde je supravodivost vidět pouze v jediném krystalickém vzorku. Mohou být pěstovány pro tento účel, i když je materiál jinak potřeba pouze v polykrystalický formulář.
Výroba
V případě výroby monokrystalů z křemíku a kovu zahrnují použité techniky vysoce kontrolovanou, a proto relativně pomalou krystalizace.
Specifické techniky pro výrobu velkých monokrystalů (aka koule ) zahrnují Czochralského proces a Bridgmanova technika. Lze použít i jiné méně exotické metody krystalizace, v závislosti na fyzikálních vlastnostech látky, včetně hydrotermální syntéza, sublimace nebo jednoduše krystalizace na bázi rozpouštědla.
Jmenuje se jiná technologie pro vytváření monokrystalických materiálů epitaxe. Od roku 2009 se tento proces používá k ukládání velmi tenkých vrstev (v mikrometru až nanometru) vrstev stejných nebo různých materiálů na povrch existujícího monokrystalu. Aplikace této techniky spočívají v oblastech výroby polovodičů s potenciálním využitím v jiných nanotechnologických oblastech a katalýze.
Viz také
- Technické aspekty krystalizace
- Frakční krystalizace
- Laserem vyhřívaný podstavec
- Mikro-stahování
- Rekrystalizace
- Očkovací krystal
Reference
- ^ Spittle, Petere. „Technologie plynových turbín“ Rolls-Royce plc, 2003. Citováno: 21. července 2012.
- ^ Korunovační klenoty - Tyto krystaly jsou drahokamy účinnosti turbíny Archivováno 2010-03-25 na Wayback Machine Článek o lopatkách turbíny s jedním krystalem memagazine.com
- ^ Cho, Yong Chan; Seunghun Lee; Muhammad Ajmal; Won-Kyung Kim; Chae Ryong Cho; Se-Young Jeong; Jeung Hun Park; Park Sang Eon; Park Sungkyun; Hyuk-Kyu Pak; Hyoung Chan Kim (22. března 2010). „Měď lepší než stříbro: elektrický odpor měděného drátu bez krystalů bez zrna“. Růst a design krystalů. 10 (6): 2780–2784. doi:10.1021 / cg1003808.
- ^ Ji Young Kim; Min-Wook Oh; Seunghun Lee; Yong Chan Cho; Jang-Hee Yoon; Geun Woo Lee; Chae-Ryong Cho; Park Chul Hong; Se-Young Jeong (26. června 2014). „Abnormální pokles elektrického odporu s dopingem nečistot monokrystalického Ag“. Vědecké zprávy. 4: 5450. Bibcode:2014NatSR ... 4E5450K. doi:10.1038 / srep05450. PMC 4071311. PMID 24965478.
- ^ „Mezinárodní standard žíhané mědi“. Nedestruktivní testovací centrum zdrojů. Spolupráce pro vzdělávání NDT, Iowa State University. n.d. Citováno 14. listopadu 2016.
- ^ Muhammad Ajmal; Seunghun Lee; Yong Chan Cho; Su Jae Kim; Park Sang Eon; Chae Ryong Choa; Se-Young Jeong (2012). „Výroba nejlepšího vodiče z monokrystalické mědi a příspěvek hranic zrn k Debyeově teplotě“. CrystEngComm. 14 (4): 1463–1467. doi:10.1039 / C1CE06026K.
Další čtení
- "Malá molekulová krystalizace" (PDF ) na Illinoisský technologický institut webová stránka
