La guida definitiva ai materiali di cristallo

I cristalli possono realizzare l'interazione e la conversione di elettricità, magnetismo, luce, suono e forza, ecc. Si tratta di un materiale indispensabile e importante per lo sviluppo della scienza e della tecnologia moderna.

Soprattutto a causa del rapido sviluppo della microelettronica a stato solido, vi è una maggiore necessità di una grande varietà di materiali cristallini, tra cui cristalli semiconduttori, cristalli laser, cristalli a scintillazione, cristalli ottici, cristalli superduri, cristalli isolanti cristalli piezoelettrici, ecc. I materiali cristallini sono all'avanguardia nello sviluppo della scienza dei materiali, strettamente legati alle nuove tecnologie come lo spazio, l'elettronica, il laser, lo sviluppo di nuove energie e la biomedicina. I tipi di materiali cristallini e le loro applicazioni sono estremamente vasti.

In questo articolo presenteremo brevemente alcuni materiali cristallini comuni e le loro applicazioni.

Cristalli semiconduttori

I cristalli dei semiconduttori sono il principale materiale di base per l'industria dei semiconduttori. Occupano la prima posizione tra i materiali cristallini in termini di ampia applicazione e importanza.

Il cristallo semiconduttore è stato sviluppato negli anni '50, la prima generazione di materiali rappresentativi dei semiconduttori: il germanio (Ge) a cristallo singolo e il silicio a cristallo singolo (Si), da cui è stata ricavata una varietà di diodi, transistor, tubi a effetto di campo, controllori al silicio e tubi ad alta potenza e altri dispositivi, in modo che il circuito integrato, da una dozzina di unità di circuito in rapido sviluppo, contenesse migliaia di componenti del circuito integrato su scala ultra-grande, ha innescato il circuito integrato (IC) come nucleo del rapido sviluppo del campo della microelettronica, migliorando notevolmente l'affidabilità del lavoro dei circuiti integrati e riducendo i costi. A sua volta, ha promosso l'ampia applicazione dei circuiti integrati nella ricerca spaziale, nelle armi nucleari, nei missili, nei radar, nei computer elettronici, nelle apparecchiature di comunicazione militare e nelle applicazioni civili.

I materiali semiconduttori di seconda generazione sono semiconduttori composti, principalmente, da arseniuro di gallio (GaAs), antimoniuro di indio (InSb) e fosfuro di indio (InP), che vengono utilizzati principalmente per realizzare dispositivi elettronici ad alta frequenza, alta velocità e alta potenza e sono ampiamente utilizzati nei settori delle comunicazioni satellitari, delle comunicazioni mobili e delle comunicazioni ottiche. Il GaAs, l'InP e altri materiali composti sono scarsi, devono essere formati per sintesi, il prezzo è relativamente alto e sono più dannosi per l'ambiente, il che ne rende difficile l'uso più diffuso e più limitato, e sono stati gradualmente sostituiti dalla terza generazione di materiali semiconduttori.

I materiali semiconduttori di terza generazione sono principalmente materiali semiconduttori a banda larga rappresentati da carburo di silicio (SiC), nitruro di gallio (GaN), ossido di zinco (ZnO), diamante e nitruro di alluminio (AlN). Rispetto ai materiali semiconduttori di prima e seconda generazione, i materiali semiconduttori di terza generazione hanno un'ampia larghezza di banda, un elevato campo elettrico di breakdown, un'elevata conducibilità termica, un'alta velocità di saturazione degli elettroni e una maggiore resistenza alle radiazioni, e sono quindi più adatti a realizzare dispositivi ad alta temperatura, alta frequenza, resistenza alle radiazioni e alta potenza, e sono solitamente chiamati materiali semiconduttori a banda larga (larghezza di banda superiore a 2,2ev), noti anche come materiali semiconduttori ad alta temperatura.

Cristalli ottici

I cristalli ottici sono utilizzati come componenti ottici dei cristalli, come il fluoruro di alogenuro di litio, il fluoruro di calcio, il fluoruro di magnesio, il fluoruro di bario, hanno buone caratteristiche di trasmissione nell'ultravioletto e nell'infrarosso, quindi possono essere utilizzati come finestra di uscita del laser a eccimeri ultravioletto e di alcuni laser a infrarossi, lenti, prismi, rotori, fogli d'onda, ecc.Gli ossidi come lo zaffiro Al2O3, il vanadato di ittrio YVO4, i cristalli, ecc. possono anche essere utilizzati come opera dei laser di cui sopra Gli ossidi come lo zaffiro Al2O3, il vanadato di ittrio YVO4, i cristalli, ecc. possono anche essere utilizzati come finestra di uscita, lente, prisma, ecc. dei laser di cui sopra.

Cristallo laser

Il laser è una "sostanza" meravigliosa, un'altra grande scoperta dell'umanità dopo l'energia atomica, i computer e i semiconduttori. Come tutti sappiamo, la luminosità del laser è così elevata che può raggiungere un miliardo di volte la luminosità del sole o addirittura superiore; il laser è puro e monocromatico; il laser ha una collimazione incomparabile (propagazione in linea retta); il laser ha un'energia potente e l'esplosione istantanea di energia può penetrare e fondere anche gli oggetti più duri. Pertanto, i laser sono ampiamente utilizzati nella produzione, nella vita e nella ricerca e sono un potente strumento per esplorare la natura.

Il dispositivo che genera la luce laser è chiamato laser. Tra i vari laser attualmente disponibili, quelli a stato solido sono i più promettenti. Il cristallo laser (lasercristallo), un materiale cristallino che converte l'energia fornita dal mondo esterno in un laser altamente parallelo e monocromatico coerente nello spazio e nel tempo attraverso una cavità a risonanza ottica, è la sostanza di lavoro dei laser a cristallo ed è il materiale di supporto di base per la tecnologia e l'industria dei laser a stato solido. I materiali comuni dei cristalli laser includono Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, cristallo di titanio, cristallo di rubino, ecc.

Cristallo di scintillazione

Sotto l'impatto di particelle ad alta energia, il cristallo che può cambiare l'energia cinetica delle particelle ad alta energia in energia luminosa ed emettere fluorescenza è chiamato cristallo di scintillazione. Il cristallo di scintillazione può essere utilizzato per il rilevamento di raggi X, raggi γ, neutroni e altre particelle ad alta energia. La tecnologia di rilevamento e imaging con il cristallo di scintillazione come nucleo centrale è stata ampiamente utilizzata in medicina nucleare, fisica delle alte energie, ispezione di sicurezza, rilevamento non distruttivo di difetti industriali, fisica spaziale e prospezione nucleare, ecc. Di solito i materiali di cristallo di scintillazione applicati sono coltivati con metodi artificiali e ne esistono molti tipi. Attualmente, i cristalli di scintillazione più utilizzati sono il BGO (abbreviazione del nome generale del sistema Bi2O3-GeO2 composto da bismuto germanato), il CsI (ioduro di cesio), il PbWO4 (tungstato di piombo), ecc.

Cristalli super duri

Il diamante, chiamato anche "diamante", è un minerale naturale e il materiale più duro in natura. Si tratta di un cristallo singolo composto da elementi di carbonio che si è formato ad alta pressione e ad alta temperatura nelle profondità della terra per un lungo periodo di tempo. I diamanti che possono essere trovati ed estratti in natura sono estremamente rari, di solito si può ottenere solo un totale di 1 carato di diamanti finemente frantumati per ogni 4 metri cubi di minerale ricco, e i diamanti di grandi dimensioni che sono cristallini e senza difetti sono ancora più rari.

A partire dagli anni Cinquanta, sono stati studiati e sviluppati diversi metodi per sintetizzare artificialmente il diamante, principalmente l'alta temperatura e l'alta pressione (HTHP), la deposizione chimica da vapore (CVD), il metodo dell'esplosione, ecc. Nel 1955, GE ha utilizzato per la prima volta l'HTHP per sintetizzare cristalli di diamante. Negli anni '80, il mondo ha avviato un boom di ricerche sul diamante CVD e sono stati sviluppati vari metodi di preparazione, come il metodo a filamento caldo (HFCVD), il plasma a microonde (MPCVD) e il getto di plasma ad arco CC CVD, che hanno gettato le basi per le applicazioni successive.

L'elevata durezza è una delle tante caratteristiche del diamante. Grazie all'elevatissima durezza, il diamante può essere trasformato in vari utensili, che svolgono un ruolo insostituibile nella lavorazione della pietra, dei metalli non ferrosi, dei materiali compositi difficili da lavorare (come i compositi in fibra di carbonio), ecc.

Nel processo di utilizzo del diamante in grandi quantità, si sono osservati anche i suoi difetti. Uno dei punti più evidenti è che, durante la lavorazione di alcuni materiali duri con il diamante, come la rettifica di un gran numero di acciai e di carburo di silicio sinterizzato, la temperatura superficiale del diamante raggiunge i 1500 ~ 2000 ℃; in queste condizioni, la resistenza del diamante diminuisce rapidamente e, con l'ossigeno presente nell'aria, è molto facile che si produca un fenomeno simile alla "combustione". Allo stesso tempo, il diamante stesso si riduce continuamente in grafite morbida, inutile per la macinazione, portando così a una perdita molto rapida del diamante. Dopo le continue esplorazioni, per ovviare agli svantaggi del diamante è stato sintetizzato un nuovo tipo di materiale superduro, il nitruro di boro cubico (CBN), la cui struttura cristallina è simile a quella del diamante, la durezza è leggermente inferiore a quella del diamante, ma la stabilità termica è molto superiore a quella dell'acciaio dorato, mentre gli elementi metallici del ferro hanno una maggiore stabilità chimica. Le prestazioni di rettifica degli abrasivi in nitruro di boro cubico sono eccellenti: non solo sono in grado di lavorare materiali difficili da rettificare e di migliorare la produttività, ma sono anche chimicamente inerti e possono migliorare efficacemente la qualità di rettifica dei pezzi. Entrambi hanno i loro punti di forza e l'applicazione effettiva dipende dall'occasione.

Materiale in cristallo piezoelettrico

Quando un cristallo è sottoposto a una forza esterna, si polarizza e forma una carica superficiale, un fenomeno noto come effetto piezoelettrico positivo; viceversa, quando il cristallo è sottoposto a un campo elettrico applicato, si deforma, un fenomeno noto come effetto piezoelettrico inverso. I cristalli con effetto piezoelettrico sono chiamati cristalli piezoelettrici, che esistono solo nei cristalli senza centro di simmetria. Il primo cristallo piezoelettrico scoperto è il cristallo (α-SiO2), che ha la proprietà della stabilità di frequenza ed è un materiale piezoelettrico ideale per la realizzazione di risonatori, filtri, trasduttori, deflettori ottici, dispositivi per le onde superficiali del suono e vari dispositivi termici, a gas, fotosensibili e chemosensibili. È anche ampiamente utilizzato nella vita quotidiana delle persone, come orologi al quarzo, orologi elettronici, televisori a colori, radio stereo e registratori a nastro.

Negli ultimi anni sono stati sviluppati molti nuovi cristalli piezoelettrici, come il niobato di litio (LiNbO3) e il niobato di potassio (KNbO3) con strutture di tipo calcogenuro. Sfruttando l'effetto piezoelettrico di questi cristalli è possibile realizzare una varietà di dispositivi, ampiamente utilizzati nell'industria militare e civile, come misuratori di pressione, tastiere piezoelettriche, linee di ritardo, oscillatori, trasduttori a ultrasuoni, trasformatori piezoelettrici, ecc.

Cristalli isolati

Un tipico esempio di wafer isolante è il wafer di mica. Mica è un termine generale per indicare i minerali silicati stratificati, che sono isolanti, trasparenti, resistenti al calore, alla corrosione, facilmente pelabili ed elastici, ecc. Sono ampiamente utilizzati nei motori elettrici, negli apparecchi elettrici, nell'elettronica, nella radio e negli elettrodomestici e svolgono un ruolo importante nell'economia nazionale e nella costruzione della difesa nazionale. Sebbene esistano molti tipi di mica naturale, la principale utilizzata nell'industria è la mica bianca, seguita dalla mica dorata.

Poiché la mica sintetica ha eccellenti caratteristiche di purezza, trasparenza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e isolamento elettrico, le lastre di mica sintetica a cristallo singolo possono essere utilizzate per:

① telaio isolante in vari dispositivi a vuoto, come il pedale a gas, la camera di ionizzazione, il magnetron e il tubo elettronico;

② materiale per finestre, come la finestra di uscita del tubo a microonde, la finestra di osservazione del forno ad alta temperatura e la finestra resistente agli acidi e agli alcali;

misuratore di livello dell'acqua della caldaia ad alta pressione nella centrale termica;

condensatore resistente alle alte temperature, filo di platino scheletro del termometro di superficie, ecc.

Conclusione

Stanford Advanced Materials produce materiali cristallini funzionali per molti dispositivi applicativi. I materiali cristallini funzionali includono principalmente cristalli magneto-ottici TGG granato di gallio terbio, TSAG; cristalli piezoelettrici LT (LiTaO3) tantalato di litio, LN (LiNbO3) nioato di litio, LGS silicato di gallio lantanio; cristalli di scintillazione Ce: LUAG, Ce: GAGG; cristalli laser Nd: YAG e cristalli di substrato epitassiale singolo GGG, SGGG, alluminato di lantanio LaAlO3, ecc.

I materiali cristallini sono ampiamente utilizzati in dispositivi quali interruttori Q di regolazione elettrica e ottica, isolatori ottici, rotatori ottici, ecc. Gli isolatori ottici, compresi gli isolatori dello spazio libero di Faraday e gli isolatori in fibra, variano da una lunghezza d'onda di 450 nm a 1100 nm.