Monokryštály - krátky prehľad výroby

1, Úvod 2, Technológie výroby monokryštálov 3, Monokryštalické materiály 4, Sféra využita monokryštálov Úvod O monokryštáli hovoríme vtedy, keď celý objem kryštalickej hmoty je tvorený jediným kryštálom Pri sledovaní štruktúry neregistrujeme hranice zŕn ako pri polykryštalických materiáloch

Aj keď je monokryštál tvorený jediným kryštálom a nemá hranice zŕn, nie je jeho stavba ideálne pravidelná Skladá sa z blokov s rozmermi 10-4cm – 10-6cm Bloky majú vo vnútri pravidelnú štruktúru Bloky sú navzájom pootočené a navonok vytvárajú mozaikovú štruktúru a na hraniciach majú nepravidelnosti.

Monokryštalický stav látky má vyššiu pevnosť v lome ako identická látka v polykryštalickom stave. Pevnosť si monokryštály zachovávajú aj pri vysokých teplotách t.j. pod teplotou tavenia preto sú používané ako konštrukčné materiály namáhané pri vysokých teplotách.

Monokryštály sú mäkšie ako rovnaké polykryštalické kovy Lom monokryštálu ostáva hladký a lesklý – nie zrnitý ako u polykryštálov Technológie výroby monokryštálov Niektoré alkalické kovy (K, Rb, Cs) vytvárajú vždy monokryštály Iné monokryštály vieme pripraviť rôznymi metódami

Priemyselne najpoužívanejšie metódy:

  • 1. Ťahanie monokryštála z taveniny (Czochralského metóda a jej modifikácie)

2. Zonálne pretavovanie

3. Metóda dendritického rastu kryštála

4. Metóda epitaxného rastu kryštála

5. Verneuilová metóda rastu monokryšála a jej modifikácia

  • 6. Pestovaním vo vode rozpustných kryštálov, kryštalizáciou z vodných roztokov
  • 7. Pestovanie monokryštálov nerozpustných vo vode, z vodných roztokov anorganických zlúčenín hydrotermálnou syntézou
Czochralského metóda ťahania monokryštála z taveniny Je to najpoužívanejší postup Polykryštalickyý materiál s vysokou Čistotou sa roztaví v tégliku ktorý je udržiavaný na teplote tavenia materiálu ( Si 1420 °C , Ge 940 °C ) Monokryštalický zárodok sa upevní do otačajúceho sa držiaku a ponorí sa tesne pod hladinu taveniny a začne sa vyťahovať – na zárodku narastá monokryštál

Modifikácie Modifikácie téglikov Príprava tenkých paličkových monokryštálov Metóda prípravy monokryštálov zonálnym pretavovaním

Na začiatok lodičky sa vloží zárodok monokryštála a do lodičky sa vloží polykryštalický materiál Postupným pretavovaním sa na zárodku vytvára monokryštál s kryštalickou orientáciou ako zárodok Metóda dendritického rastu monokryštála

Metóda spočíva v zasunití dvpch monokryštalických zárodkov do taveniny a rýchlom vytiahnutí Medzi nimi sa vytvorí tenká kryštalická stena s hladkým povrchom Vytvorený monokryštál je možné dopestovať napr. pomocou metódy epitaxného rastu Metóda epitaxného rastu monokryštála

Epitaxná metóda spočíva v usadzovaní pár kryštalického materiálu na zárodku Usadená vrstva sa podrobuje kryštalizačným zákonitostiam platiacim pre zárodok (teda ak je monokryštalický začne narastať monokryštál) Epitaxného rastu je možné dosiahnuť chemickými, vákuovými alebo tavebnými postupmi Epitaxia je metóda rastu monokryštálov ale zároveň je to aj metóda vytvárania vrstiev čo má veľký význam v elektronike

Modifikácie Epitaxia z plynnej fázy, chemická epitaxia Epitaxia z kvapalnej fázy Selektívna epitaxia, vytváranie mono a polykryštalickej štruktúry na podložke zároveň vedľa seba Molekulárna vysokovákuová epitaxia Verneuilová metóda rastu monokryštálov

Klasická metóda používaná hlavne na výrobu syntetických drahokamov Podsdtatou je naprašovanie materiálu na natavený zárodok. Naprašovaný materiál vytvára rovnakú kryštalickú orientáciu ako zárodok – podobnosť z epitaxnou metódou Jemný disperzný materiál je pridávaný mechanicky Kryštalizácia látok z vodných roztokov Podstatou je vytvorenie nasýteného roztoku solí kovov pri istej teplote a následnom ochladzovaní roztoku a následné ochladzovanie roztoku Pri ochladzovaní dochádza k vylučovaniu kryštálov Čím je ochladzovanie pomalšie , tým väčší kryštál vieme vypestovať Pestovanie vo vode nerozpustnýchmonokryšttálov, z vodných roztokov anorganických zlúčenín. Hydrotermálna syntéza

Podstata tejto metódy spočíva vo vratnej syntéze vo vodnom roztoku Vo vode nerozpustná zlúčenina sa chemickou reakciou pri vysokých teplotách a tlakoch v autokláve premení na inú , viac rozpustnú zlúčeninu vo vodnom roztoku Zmenou reakčných podmienok prebieha protismerný proces vratnej reakcie, pri ktorej sa z roztoku vylučuje pôvodná vo vode nerozpustná zlúčenina. Na zárodkoch nerozpustnej zlúčeniny pridaných do autoklávu, sa vylučujú monokryštály pôvodnej nerozpustnej zlúčeniny. Táto metóda je typická pre hromadné pestovanie monokryštálov SiO2 Monokryštalické materiály Germánium – významný prvok pre výrobu polovodičov. Získava sa ako vedľajší produkt pri niektorých výrobách , napr. pri spracovaní niektorých druhov čierného uhlia, z popola alebo odpadových vôd

Kremík – Obsah v zemskej kôre cca 26% teda jeho zásoby sú nevyčerpateľné Kremík je dnes dominantným prvkom pri výrobe polovodičov

Galiumarzenid GaAs – Bol p rvým používaným materiálom pri výrobe polovodičov až ho nahradil kremík Gáliumarzenid vykazuje lepšie vlastnosti ako kremík jeho výroba je však spojená s veľkou náchylnosťou k vzniku nehomogenít

Rubínové monokryštály Al2O3 – veľký význam pri výrobe laserov v resp. sú hlavnou časťou laserových zdrojov

Monokryštály YAG:Nd (ytrium-hlinitý granát Y3Al5O12 ) – Perspektívny materiál pre výrobu laserov v oblasti neviditeľného spektra

Oxid kremičitý SiO2 – Výroba skiel na vlákna v optoelektronike, optike a inde

Dalšie materiály Chlorid sodný NaCl, Chlorid draselný KCl, Bromid draselný KBr, Fluorid lítny LiF, Fluorid vápenatý CaF2, Chlorid strieborný AgCl, Bromid Strieborný, Jodid sodný aktivovaný tháliomm NaJ(Tl)...

Použitie

Monokryštalické materiály majú v súčastnosti širokú sféru využitia a život bez nich by sme si vedeli len tažko predstaviť

Polovodičová technika (procesory, integrované obvody) Optoelektronika,Optika,Laser Konštrukcie s požiadavkou vysokých pevností pri vysokých teplotách (lopatky prúdových motorov, turbín a pod. ) Použitie v kompozitných materiáloch (vlákna, whiskery...)