Окончательное руководство по кристаллическим материалам

Кристаллы способны реализовать взаимодействие и преобразование электричества, магнетизма, света, звука, силы и т. д. Это незаменимый и важный материал в развитии современной науки и техники.

Особенно в связи с быстрым развитием твердотельной микроэлектроники возрастает потребность в большом разнообразии кристаллических материалов, включая полупроводниковые кристаллы, лазерные кристаллы, сцинтилляционные кристаллы, оптические кристаллы, сверхтвердые кристаллы, изолирующие кристаллы, пьезоэлектрические кристаллы и т.д. Кристаллические материалы находятся на переднем крае развития материаловедения, которое тесно связано с новыми технологиями, такими как космос, электроника, лазеры, разработка новых источников энергии и биомедицина. Типы кристаллических материалов и области их применения чрезвычайно широки.

В этой статье мы кратко расскажем о некоторых распространенных кристаллических материалах и их применениях.

Полупроводниковые кристаллы

Полупроводниковые кристаллы являются основным базовым материалом для полупроводниковой промышленности. Он занимает первое место среди кристаллических материалов по широте применения и важности.

Полупроводниковый кристалл был разработан в 1950-х годах, первое поколение полупроводниковых материалов-представителей: германий (Ge) монокристалл и кремний монокристалл (Si), из них изготавливаются различные диоды, транзисторы, полевые трубки, кремниевые контроллеры и мощные трубки и другие устройства, так что интегральная схема от всего десятка единиц схемы быстрого развития, чтобы содержать тысячи компонентов сверхбольшой интегральной схемы, вызвало интегральной схемы (IC) в качестве ядра быстрого развития области микроэлектроники, значительно повышая надежность работы интегральных схем при одновременном снижении затрат. В свою очередь, это способствовало широкому применению ИС в космических исследованиях, ядерном оружии, ракетах, радарах, электронно-вычислительных машинах, военном коммуникационном оборудовании и гражданских приложениях.

Полупроводниковые материалы второго поколения - это сложные полупроводники, в основном арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и фосфид индия (InP), которые в основном используются для создания высокочастотных, высокоскоростных и мощных электронных устройств и широко применяются в области спутниковой связи, мобильной связи и оптической связи. GaAs, InP и другие составные материалы дефицитны, их необходимо формировать путем синтеза, цена относительно высока, и они более вредны для окружающей среды, что затрудняет их широкое применение и делает их более ограниченными, и постепенно их заменяет третье поколение полупроводниковых материалов.

Полупроводниковые материалы третьего поколения - это в основном широкополосные полупроводниковые материалы, представленные карбидом кремния (SiC), нитридом галлия (GaN), оксидом цинка (ZnO), алмазом и нитридом алюминия (AlN). По сравнению с полупроводниковыми материалами первого и второго поколений, полупроводниковые материалы третьего поколения имеют большую ширину полосы, высокое электрическое поле пробоя, высокую теплопроводность, высокую скорость насыщения электронами и более высокую радиационную стойкость, и, таким образом, более подходят для создания высокотемпературных, высокочастотных, радиационно стойких и мощных устройств, и обычно называются широкополосными полупроводниковыми материалами (ширина полосы более 2,2 эв), также известными как высокотемпературные полупроводниковые материалы.

Оптические кристаллы

Оптические кристаллы используются в качестве оптических компонентов кристаллов, таких как галогенид лития кристалл фторида, фторид кальция, фторид магния, фторид бария, они имеют хорошие характеристики передачи в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне, поэтому они могут быть использованы в качестве ультрафиолетового эксимерного лазера и некоторые инфракрасные лазеры выходное окно, линза, призма, ротор, волновой лист и т.д.Оксиды, такие как сапфир Al2O3, ванадат иттрия YVO4, кристалл и т.д., также могут быть использованы в качестве работы вышеуказанных лазеров Оксиды, такие как сапфир Al2O3, ванадат иттрия YVO4, кристалл и т.д., также могут быть использованы в качестве выходного окна, линзы, призмы и т.д. вышеуказанных лазеров.

Лазерный кристалл

Лазер - это удивительное "вещество", еще одно великое открытие человечества после атомной энергии, компьютеров и полупроводников. Как мы все знаем, яркость лазера настолько высока, что может в миллиард раз превышать яркость солнца или даже выше; лазер чист и монохроматичен; лазер обладает несравненной коллимацией (прямолинейным распространением); лазер обладает мощной энергией, и мгновенный всплеск энергии может пробить и расплавить даже самые твердые предметы. Поэтому лазеры широко используются в производстве, быту и научных исследованиях, а также являются мощным инструментом для изучения природы.

Устройство, генерирующее лазерное излучение, называется лазером. Среди различных лазеров, существующих в настоящее время, наиболее перспективными являются твердотельные лазеры. Лазерный кристалл (лазеркристалл) - кристаллический материал, преобразующий энергию внешнего мира в высокопараллельный и монохроматический лазер, когерентный в пространстве и времени через оптически резонансный резонатор, - является рабочим веществом кристаллических лазеров и основным вспомогательным материалом для твердотельных лазерных технологий и промышленности. Распространенные материалы лазерных кристаллов включают Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, кристалл титана, кристалл рубина и т.д.

Сцинтилляционный кристалл

Под воздействием высокоэнергетических частиц кристалл, который может изменять кинетическую энергию высокоэнергетических частиц в световую энергию и излучать флуоресценцию, называется сцинтилляционным кристаллом. Сцинтилляционный кристалл может быть использован для обнаружения рентгеновских, γ-лучей, нейтронов и других высокоэнергетических частиц. Технология обнаружения и формирования изображений с использованием сцинтилляционного кристалла в качестве ядра широко применяется в ядерной медицине, физике высоких энергий, инспекции безопасности, промышленной неразрушающей дефектоскопии, космической физике, ядерной разведке и т.д. Обычно применяемые материалы сцинтилляционных кристаллов выращиваются искусственными методами, и их существует множество видов. В настоящее время наиболее используемыми сцинтилляционными кристаллами являются BGO (аббревиатура общего названия соединения системы Bi2O3-GeO2 - германат висмута), CsI (йодид цезия), PbWO4 (тунгстат свинца) и др.

Сверхтвердые кристаллы

Алмаз, также называемый "бриллиантом", - природный минерал и самый твердый материал в природе. Он представляет собой монокристалл, состоящий из углеродных элементов, образовавшийся под высоким давлением и при высокой температуре в глубине Земли в течение длительного периода времени. Алмазы, которые можно найти и добыть в природе, встречаются крайне редко: обычно на 4 кубических метра богатой руды приходится всего 1 карат мелкодробленых алмазов, а алмазы большого размера, кристально чистые и безупречные, встречаются еще реже.

Начиная с 1950-х годов люди исследовали и разрабатывали различные методы искусственного синтеза алмазов, в основном с помощью высокой температуры и высокого давления (HTHP), химического осаждения из паровой фазы (CVD), взрывного метода и т.д. В 1955 году компания GE впервые использовала HTHP для синтеза кристаллов алмаза. В 1980-х годах в мире начался бум исследований CVD-алмаза, были разработаны различные методы подготовки, такие как метод горячей нити (HFCVD), микроволновой плазмы (MPCVD) и дуговой плазменной струи постоянного тока (CVD), которые заложили основу для последующих применений.

Высокая твердость - одна из многих характеристик алмаза. Используя чрезвычайно высокую твердость алмаза, из него можно изготавливать различные инструменты, которые играют незаменимую роль в обработке камня, цветных металлов, труднообрабатываемых композитных материалов (например, композитов из углеродного волокна) и т.д., и позволяют добиться эффективной, высокоточной и экологически безопасной обработки.

В процессе использования алмаза в больших количествах люди заметили и его недостатки. Одним из наиболее заметных является то, что при обработке некоторых твердых материалов алмазом, таких как шлифовка большого количества стали и спеченного карбида кремния, температура поверхности алмаза достигает 1500 ~ 2000 ℃, в этом состоянии прочность алмаза быстро снижается, и очень легко с кислородом в воздухе антагонистического производить подобные "горения" явления. В то же время, сам алмаз постоянно уменьшается до мягкого графита, который бесполезен для шлифования, что приводит к очень быстрой потере алмаза. После непрерывных исследований людей, новый тип сверхтвердого материала кубический кристалл нитрида бора был синтезирован, чтобы компенсировать недостаток алмаза, кубическая структура нитрида бора - CBN, его кристаллическая структура похожа на алмаз, твердость немного ниже, чем алмаз, но термическая стабильность намного выше, чем золото стали, железо металлических элементов имеют большую химическую стабильность. Шлифовальные характеристики абразивов из кубического нитрида бора превосходны, они не только способны обрабатывать труднообрабатываемые материалы и повышать производительность, но и химически инертны, что позволяет эффективно улучшать качество шлифования заготовок. Оба варианта имеют свои сильные стороны, и их применение зависит от конкретного случая.

Пьезоэлектрический кристаллический материал

Когда на кристалл действует внешняя сила, он поляризуется и образует поверхностный заряд - это явление известно как положительный пьезоэлектрический эффект; и наоборот, когда на кристалл действует приложенное электрическое поле, он деформируется - это явление известно как обратный пьезоэлектрический эффект. Кристаллы с пьезоэлектрическим эффектом называются пьезоэлектрическими кристаллами, которые существуют только в кристаллах без центра симметрии. Первым открытым пьезоэлектрическим кристаллом стал кристалл (α-SiO2), обладающий свойством стабильности частоты и являющийся идеальным пьезоэлектрическим материалом для изготовления резонаторов, фильтров, преобразователей, оптических дефлекторов, устройств поверхностной волны звука, а также различных тепловых, газовых, фоточувствительных и хемочувствительных устройств. Он также широко используется в повседневной жизни людей, например, в кварцевых часах, электронных часах, цветных телевизорах, стереофонических радиоприемниках и магнитофонах.

В последние годы было разработано множество новых пьезоэлектрических кристаллов, таких как ниобат лития (LiNbO3) и ниобат калия (KNbO3) халькогенидного типа. Используя пьезоэлектрический эффект этих кристаллов, можно создавать различные устройства, широко применяемые в военной и гражданской промышленности, такие как измерители артериального давления, пьезоэлектрические клавиатуры, линии задержки, осцилляторы, ультразвуковые преобразователи, пьезоэлектрические трансформаторы и т.д.

Изолированные кристаллы

Типичным примером изолированной пластины является слюдяная пластина. Слюда - это общий термин для слоистых силикатных минералов, которые обладают изоляционными свойствами, прозрачностью, термостойкостью, коррозионной стойкостью, легкостью, эластичностью и т. д. Они широко используются в электродвигателях, электроприборах, электронике, радио и бытовой технике, играют важную роль в народном хозяйстве и оборонном строительстве. Хотя существует множество видов природной слюды, в промышленности в основном используется белая слюда, за которой следует золотая слюда.

Поскольку синтетическая слюда имеет отличные характеристики чистоты, прозрачности, устойчивости к высоким температурам, коррозионной стойкости и электрической изоляции, синтетическая слюда монокристаллический лист может быть использован для:

① изоляционной рамки в различных вакуумных устройствах, таких как газовая педаль, ионизационная камера, магнетрон и электронная трубка;

② оконный материал, такой как окно выхода микроволновой трубы, окно наблюдения высокотемпературной печи, а также кислото- и щелочестойкое окно;

③ измеритель уровня воды котла высокого давления на тепловой электростанции;

④ конденсатор, устойчивый к высоким температурам, платиновая проволока, скелет поверхностного термометра и т.д.

Заключение

Stanford Advanced Materials производит функциональные кристаллические материалы для многих прикладных устройств. Функциональные кристаллические материалы в основном включают магнитооптические кристаллы TGG тербий-галлиевого граната, TSAG; пьезоэлектрические кристаллы LT (LiTaO3) танталата лития, LN (LiNbO3) ниобата лития, LGS лантан-галлиевого силиката; сцинтилляционные кристаллы Ce: LUAG, Ce: GAGG; лазерный кристалл Nd: YAG и монокристаллические эпитаксиальные кристаллы-подложки GGG, SGGG, алюминат лантана LaAlO3 и др.

Кристаллические материалы широко используются в таких устройствах, как переключатели электрической и оптической регулировки Q, оптические изоляторы, оптические ротаторы и т.д. Оптические изоляторы, включая изоляторы свободного пространства Фарадея и волоконные изоляторы, варьируются от длины волны 450 нм до 1100 нм.