단결정

Single crystal
결정화
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구역 용해


재료 과학에서, 단결정 또는 단결정 고체는 전체 샘플의 결정 격자가 입자 [1]경계 없이 샘플의 가장자리까지 연속적이고 깨지지 않는 재료입니다.입자 경계와 관련된 결함이 없는 경우 단결정, 특히 기계적, 광학 및 전기적 특성을 제공할 수 있으며 결정 구조 [2]유형에 따라 이방성일 수도 있습니다.이러한 특성은 보석을 귀하게 만들 뿐만 아니라 산업적으로 특히 광학 및 [3]전자 분야에서 사용됩니다.

엔트로픽 효과는 불순물, 불균일한 변형, 전위 등의 결정학적 결함 등 고체의 미세구조에서 일부 결함의 존재에 유리하기 때문에 의미 있는 크기의 완벽한 단일 결정은 [2]자연에서 매우 드물다.필요한 실험실 조건은 종종 생산 비용을 증가시킨다.반면에, 불완전한 단결정들은 자연에서 엄청난 크기에 이를 수 있다: 베릴, 석고, 장석과 같은 몇몇 광물 종들은 [4][1]몇 미터 지름의 결정들을 만들어 낸 것으로 알려져 있다.

단일 결정의 반대는 원자 위치가 단거리 순서로만 [5]제한되는 비정질 구조입니다.두 극단 사이에는 결정체라고 알려진 다수의 작은 결정체와 파라크리스탈린 [6]상으로 구성된 다결정체가 존재한다.단결정은 보통 독특한 평면면과 대칭을 가지고 있으며, 각 면 사이의 각도가 이상적인 모양을 결정할 것이다.원석은 종종 굴절과 반사 특성을 [6]이용하기 위해 결정학적 평면을 따라 인위적으로 절단된 단일 결정체입니다.

생산 방법

현재의 방법은 현대 기술로 매우 정교하지만, 결정 성장의 기원은 기원전 2500년의 결정화에 의한 소금 정화로 거슬러 올라갈 수 있다.수용액을 사용하는 보다 진보된 방법은 1600 CE에 시작되었고, 용융과 [7]증기 방법은 1850 CE에 시작되었다.

단결정 성장법 트리 다이어그램

기본적인 결정 성장법은 인공적으로 성장한 것을 기준으로 용융, 고체, 증기, 용액 [2]등 4가지로 나눌 수 있다.대형 단결정(일명 부울)을 생성하는 특정 기술로는 CZ(Cochralski 공정), 플로팅 존(또는 존 무브먼트), 브리지만 기술이 있습니다.Bell Telephone Laboratories의 Dr. Teal과 Dr. Little은 Ge와 Si의 [8]단결정을 만들기 위해 Czochralski 방법을 최초로 사용했다.수열합성, 승화 또는 단순한 용제 기반의 결정화 [9]등 물질의 물리적 특성에 따라 다른 결정화 방법을 사용할 수 있다.예를 들어 변형된 카이로풀로스 방법을 사용하여 300kg의 고품질 사파이어 [10]단결정을 배양할 수 있습니다.화염융접법이라고도 불리는 베르뇌일법은 1900년대 초에 CZ [7]이전에 루비를 만드는 데 사용되었다.오른쪽 그림은 대부분의 기존 방법을 보여줍니다.기존 방법에 대한 다양한 변형 및 조정과 함께 화학 증기 증착(CVD)과 같은 새로운 혁신이 있었다.이것들은 그림에는 나타나 있지 않습니다.

열수법에 의한 단결정 석영 바

금속 단결정의 경우, 제조 기술에는 에피택시와 [11]고형물에서의 비정상적인 입자 성장도 포함된다.에피택시는 기존 [12]단결정 표면에 동일하거나 다른 물질의 매우 얇은 층(마이크로미터에서 나노미터까지)을 퇴적시키는 데 사용됩니다.이 기술은 반도체 생산 분야에 적용되며, 다른 나노 기술 분야 및 [13]촉매 분야에서 사용될 수 있습니다.

적용들

반도체 산업

반도체 산업에서 가장 많이 사용되는 단결정 중 하나는 실리콘이다.반도체 단결정의 4가지 주요 생산방법은 금속용액인 액상 에피택시(LPE), 액상 일렉트로 에피택시(LPEE), 주행히터법(THM), 액상확산법(LPD)[14]이다.그러나, 단결정 유기 반도체를 포함한, 반도체가 가능한 무기 단결정 이외에도 많은 단결정들이 있다.

부유대 공정으로 만들어진 고순도(99.999%) 탄탈 단결정, 탄탈의 일부 단결정 조각 및 비교용 고순도(99.99%=4N) 1cm3 탄탈 입방체.이 사진은 연금술사가 찍은 것입니다.

반도체와 태양광 발전의 제조에 사용되는 단결정 실리콘은 오늘날 [15]단결정 기술을 가장 많이 사용하고 있습니다.태양광 발전에서는 가장 효율적인 결정 구조가 가장 높은 빛 대 전기 [16]변환을 산출합니다.마이크로프로세서가 작동하는 양자 규모에서 입자 경계의 존재는 국소 전기 [17]특성을 변경함으로써 전계 효과 트랜지스터의 기능에 큰 영향을 미칩니다.따라서 마이크로프로세서 제조사들은 실리콘의 대규모 단결정 생산을 위한 설비에 많은 투자를 해왔다.실리콘 [18]결정의 성장을 위해 인기 있는 방법은 Czochralski법과 플로팅 존입니다.

무기반도체 단결정으로는 GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnSe, ZnTe 등이 있다.이들 대부분은 원하는 [19]성질을 위해 다양한 도핑으로 튜닝할 수도 있습니다.단결정 그래핀은 반송파 이동성이 크고 열전도율이 높아 전자 및 광전자 분야에서도 높은 선호도를 보이며 여전히 뜨거운 연구 [20]주제이다.주요 과제 중 하나는 넓은 면적에 걸쳐 균일한 이중층 또는 다층 그래핀 단결정을 성장시키는 것이었습니다. 에피택셜 성장과 새로운 CVD(상기 언급)가 검토 [21]중인 새로운 유망한 방법 중 하나입니다.

유기반도체 단결정은 무기결정과 다르다.분자간 결합이 약하다는 것은 녹는 온도, 증기 압력 및 용해성이 [22]높다는 것을 의미합니다.단결정이 성장하기 위해서는 재료의 순도가 매우 중요하며, 유기물질의 생산은 보통 필요한 [23]순도에 도달하기 위해 많은 단계를 필요로 합니다.높은 전하 캐리어 이동성과 함께 열적으로 안정적인 소재를 찾기 위해 광범위한 연구가 이루어지고 있습니다.과거의 발견은 나프탈렌, 테트라센, 그리고 9,10-디페닐란타센을 포함한다.[24]트리페닐아민 유도체는 유망하며, 최근 2021년에는 용액법으로 배양된 α-페닐-4μ-(디페닐아미노) 스틸벤(TPA)의 단결정 구조가 비등방성 홀 수송성을 [25]통해 반도체 사용 가능성을 더욱 높였다.

광학 응용 프로그램

LLNL의 과포화 수용액 중 종자 결정에서 성장한 거대한 KDP인 인산수소칼륨. 슬라이스로 절단하여 주파수 두 배 및 세 배로 증가시키기 위해 국립 점화 시설에서 사용됩니다.

단결정은 분자의 순서가 엄밀하고 입자의 [2]경계가 없는 단일 입자이기 때문에 독특한 물리적 특성을 가지고 있다.여기에는 광학적 특성이 포함되며 특정 적외선(IR) 파장에서 투명하기 때문에 실리콘의 단결정도 광학적 창으로 사용되므로 일부 [5]계측기에 매우 유용합니다.

사파이어: 과학자들에 의해 산화알루미늄의23 알파상으로 더 잘 알려진 사파이어 단결정은 첨단 공학에 널리 사용됩니다.가스상,[10] 고체상 또는 용액상으로부터 배양할 수 있습니다.성장법에 의한 결정의 지름은 그 후의 전자 용도를 고려할 때 중요하다.레이저와 비선형 광학에 사용됩니다.바이오메트릭 지문 리더, 장기 데이터 저장용 광학 디스크 및 X선 간섭계 [2]창과 같은 중요한 용도가 있습니다.

인화인듐:이 단결정들은 광섬유 형태의 광전자공학과 대경 [26]기판을 결합하는 데 특히 적합합니다.다른 포토닉 디바이스는 레이저, 광검출기, 아발란치 광다이오드, 광변조기 및 증폭기, 신호처리 및 광전자 및 광전자 집적회로 [27]양쪽을 포함한다.

산화 알루미늄 결정

게르마늄:이것은 1947년 바딘, 브라테인, 쇼클리에 의해 발명된 최초의 트랜지스터의 재료였다.그것은 일부 감마선 검출기와 적외선 [28]광학에 사용된다.이제 그것은 고유의 통신사 [27]이동성으로 초고속 전자기기의 초점이 되었다.

비소화물:비소 III는 B, Al, Ga, In 등의 다양한 원소와 조합할 수 있으며, GaAs 화합물은 웨이퍼 수요가 [27]높다.

카드뮴 텔루라이드: CdTe 결정은 IR 영상, 전기 광학 장치, 태양 [29]전지용 기판으로 여러 가지 용도로 사용됩니다.CdTe와 ZnTe를 합금함으로써 실온 X선과 감마선 검출기를 만들 [27]수 있다.

전기 도체

금속은 놀랍게도 단결정 형태로 생산될 수 있으며 금속 도체의 궁극적인 성능을 이해하는 수단을 제공합니다.촉매화학, 표면물리학, 전자, 단색계 [4]등 기초과학의 이해에 필수적입니다.금속 단결정 생산은 최고 품질 요구사항을 가지고 [30]있으며 막대 형태로 성장하거나 당겨집니다.특정 회사에서는 다양한 [19]직경과 함께 특정 형상, 홈, 구멍 및 기준면을 제작할 수 있습니다.

모든 금속 원소 중에서 은과 구리는 상온에서 최고의 전도성을 가지며 [31]성능의 기준을 설정합니다.시장의 규모와 공급과 비용의 불균형은 성능 향상을 통해 대안을 찾거나 사용을 줄일 수 있는 방법을 찾도록 강력한 동기를 부여했습니다.

상업용 도체의 전도율은 종종 국제 애니드 구리 표준에 따라 표현되는데, 1914년에 사용 가능한 가장 순수한 구리선은 약 100%로 측정되었습니다.가장 순수한 최신 구리선은 더 나은 도체이며, 이 척도에서 103% 이상 측정됩니다.그 이득은 두 가지 원천에서 나온다.첫째, 현대의 구리는 더 순수하다.그러나, 이 개선의 길은 끝난 것 같다.구리 순도를 만들어도 크게 개선되지 않습니다.둘째, 어닐링 및 기타 프로세스가 개선되었습니다.어닐링은 저항의 원천인 전위 및 기타 결정 결함을 감소시킵니다.하지만 결과물은 여전히 다결정입니다.입자 경계와 남아 있는 결정 결함으로 인해 일부 잔류 저항이 발생합니다.이것은 단결정을 조사함으로써 정량화되고 더 잘 이해할 수 있다.

예상대로 단결정 구리는 다결정 [32]구리보다 전도성이 더 좋은 것으로 판명되었습니다.

실온(293 K)에서의 은(Ag)/구리(Cu) 재료의 전기 저항률 †
재료. ( (μΩ µcm) IACS[34]
단결정 Ag, 3mol% Cu 도프 1.35 127%
단결정 Cu, 추가[35] 가공 1.472 117.1%
단결정 Ag 1.49 115.4%
단결정 Cu 1.52 113.4%
고순도 Ag선(다결정) 1.59 108%
고순도 Cu선(다결정) 1.67 ˃ 103%

그러나 단결정 구리는 고순도 다결정 은보다 우수한 전도체가 되었을 뿐만 아니라, 규정된 열과 압력 처리로 단결정 은을 능가할 수 있습니다.불순물은 일반적으로 전도성에 좋지 않지만, 구리 치환량이 적은 은 단결정이 가장 좋다는 것이 입증되었습니다.

2009년 현재 산업적으로는 단결정 구리가 대규모로 제조되고 있지 않지만 구리 도체를 위한 매우 큰 크기의 개별 결정 구리를 생산하는 방법은 고성능 전기 애플리케이션에 활용되고 있습니다.이것들은 길이 1미터 당 몇 개의 결정만을 가진 메타 단일 결정으로 간주될 수 있다.

단결정 블레이드 주물 피그테일

단결정 터빈 블레이드

단결정 고체의 또 다른 응용 분야는 터빈 [36]날개와 같이 열 크리프가 낮은 고강도 재료를 생산하는 데 있어 재료 과학에 있습니다.여기서, 입자 경계가 없는 것은 항복 강도를 실제로 감소시키지만, 더 중요한 것은 고온의 밀착 공차 부품 [37]적용에 중요한 크리프 양을 감소시킨다.연구자 배리 피아시는 주형에서 직각으로 구부러지면 주형 결정의 수가 감소한다는 것을 알아냈고, 후에 과학자 지아미는 이것을 터빈 [38]블레이드의 단결정 구조를 시작하기 위해 사용했다.

조사중

단결정은 특히 응축 물질 물리학 및 표면 [2]과학 같은 물질 과학의 모든 측면에서 연구에 필수적이다.브래그 회절과 헬륨 원자 산란과 같은 기술에 의한 물질의 결정 구조에 대한 자세한 연구는 다양한 성질의 방향 의존성을 연구하고 [39]이론적 예측과 비교할 수 있기 때문에 단일 결정으로 더 쉽다.또한 각도 분해 광전자 분광법이나 저에너지 전자 회절 등의 거시적 평균화 기술은 단결정 [40][41]표면에서만 가능하거나 의미가 있다.초전도에서는 단결정 [42]표본에서만 초전도 현상이 나타나는 물질의 사례가 있었다.재료는 다결정 형태로만 필요한 경우에도 이러한 목적을 위해 재배할 수 있습니다.

이처럼 수많은 신소재가 단결정 형태로 연구되고 있다.금속-유기-프레임워크(MOF)의 젊은 분야는 단일 결정을 가질 자격이 있는 많은 분야 중 하나입니다.2021년 1월, 동박사와 동박사.Feng은 최대 200μm 크기의 큰 2D MOF 단결정을 생성하기 위해 다환 방향족 리간드를 최적화하는 방법을 시연했습니다.이것은 과학자들이 단결정 소자를 제작하고 고유의 전기 전도율과 전하 전달 [43]메커니즘을 결정할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.

광다이븐 변환 분야는 단결정 대 단결정(SCSC) 변환이라고 불리는 단일 결정과도 관련될 수 있습니다.이것들은 분자 움직임을 직접 관찰하고 기계적 [44]세부사항을 이해한다.이러한 광스위칭 행동은 본질적으로 비응답성 단핵 란타니드 단분자 자석(SMM)[45]에 대한 최첨단 연구에서도 관찰되었다.

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