Физ химия и технология роста кристаллов

Керамика отличается от монокристалла тем, что в структуре керамики много поликристаллов, которые переплетаются между собой в различных направлениях.

Сапфир – Al₂O₃ + Ti³⁺ (голубой) – используются как подложки для микросхем

Рубин – Al₂O₃ + Cr³⁺ (красный)

Изумруд – BeO + Cr³⁺ (зеленый)

Фианит – ZrO₂ (монокристалл)

Природные кристаллы мало применяются в радиоэлектрических устройствах, чаще используются как исходный материал для выращивания искусственных кристаллов, а также в качестве драгоценных камней.

Рубин отличается от корунда примесью Cr3+ до 2%, который замещает ионы. Рубин и сапфир используются для подшипников скольжения в часах.

В связи с развитием электронной техники повысился спрос на монокристаллы, появилась возможность получать кристаллы большой чистоты, большого размера с меньшими дефектами, с заданной кристаллической решеткой.

В настоящее время в качестве оксидных монокристаллов можно отметить ферриты, рубины, изумруды, SiO₂.

Почти все монокристаллы могут быть выращены разными способами, например из расплава путем его медленного охлаждения (спонтанная кристаллизация), раствор-расплавным методом, из газовой фазы, из растворов (водных растворов солей).

При производстве интегрированных микросхем используются элементы Si на сапфире (или КНС) и пластины из Si или Ge (без сапфира).

Особенностью подложек из сапфира является высокие диэлектрические характеристики: удельная электросопротивление (примерно 10¹⁴ Ом/см); малое значение диэлектрической проницаемости [эпсилан]; возможность получения совершенной поверхности; возможность осуществления электрооптической связи, так как они прозрачны для ЭМИ в широком спектре диапазона; стойкость к высоким температурам, большая теплопроводность, большая химическая и термическая стойкость, сродство с металлическими пленками, высокая механическая прочность, износостойкость.

Кроме КНС используются пленки AlN, ZnO, GeCl₃ в качестве элементов устройств с использованием ультразвука в высокочастотных схемах и световых интегрированных схемах. В устройстве КНС используются сапфиры больших размеров.

Основные области применения кнс

Высокая способность к интеграции	Запоминающие и логические устройства
Быстродействие	Микропроцессоры
Низкие потери	БИС для электронных устройств
Стойкость к радиации	Элементы для спутников, космических ракет, по отношению к которым предъявляются требования высокой надежности

Кристаллизация как технологический метод широко используется в родственных химических областях промышленности (производство строительных материалов, стали, меди, металлургии, материаловедении).

Методом кристаллизации осуществляются следующие технологические процессы:

- получение твердых продуктов в виде слитков, гранул и тд.;

- выделение различных веществ и растворов;

- разделение смеси на фракции;

- глубокая очистка от примесей;

- выращивание монокристаллов.

Известны кристаллизация из расплавов, из растворов, из газовой фазы, в твердом состоянии. Каждый из вариантов объединяет несколько технологических разновидностей.

Кристаллизация из паровой фазы применяется для веществ, обладающих высоким парциальным давлением паров над твердой фазой, но эти вещества способны переходить из паровой фазы в кристаллическую и наоборот.

Таким методом выращиваются кристаллы алмаза, рубина и др. Можно использовать для очистки от примесей таких веществ как фталевый ангидрид, нафталин, йод, мышьяк и т.д.

Кристаллизация в твердом состоянии осуществляется при термической обработке материалов с целью получения определенной кристаллической структуры.

Наибольшее распространение в промышленности получила кристаллизация из расплава и раствора. Кристаллизация из расплава применяется преимущественно при переработки неорганических веществ, при кристаллизации из растворов появляется возможность значительно понизить температуру процесса по сравнению с кристаллизацией того же вещества из расплава. Это важно при переработки оксидных кристаллов (например BeO в разных модификациях), высокоплавких веществ.

Методом кристаллизации осуществляются следующие процессы:

- получение твердых продуктов в виде слитков, блоков, чешуй и тд.;

- выделение различных веществ из растворов;

- разделение смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом;

- глубокая очистка веществ от примесей

- выращивание монокристаллов.

Известны следующие варианты процесса кристаллизации:

- из расплавов;

- из растворов;

- из паровой фазы;

- из твердой фазы.

В химической промышленности часто встречаются процессы кристаллизации, осложненные химическим взаимодействием. Чаще всего они протекают в жидкой фазе. В результате взаимодействия веществ образуются новые соединения, которое выпадает в кристаллическом состоянии.

Кристаллизация из расплавов включает в себя большое число технологических методов:

- отверждение расплавов;

- фракционная кристаллизация;

- выращивание кристаллов.

Отверждение расплавов широко применяется в химической промышленности и материаловедении для получения продуктов в виде пластин, чешуек, гранул.

Фракционная кристаллизация используется с целью разделения бинарных или многокомпонентных расплавов на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, а также для глубокой очистки вещества от примесей.

По сравнению с другими методами разделения веществ (ректификация, экстракция) фракционная кристаллизация расплавов имеет ряд преимуществ:

- низкие энергетические затраты;

- низкие рабочие температуры;

- возможность разделения смесей близкокипящих компонентов;

- отсутствие необходимости в растворителях.

Методы фракционной кристаллизации расплавов относятся к числу высокоэффективных. В настоящее время используется для получения следующих веществ: нафталин, бензол, изомеры ксилола, а также при очистке нефтепродуктов предельных углеводородов.

Различными методами кристаллизации расплавов в настоящее время производят большую часть монокристаллов разных веществ как низкоплавких (на основе органики), так и тугоплавких (металлы, оксиды, соли).

Жидкость является промежуточной фазой между твердой и газообразной фазами. Вблизи температуры кристаллизации методом рентгенофазового анализа установлено, что молекулы жидкости, как правило, имеют сходное строение с кристаллами (особенно это характерно для органики, где молекулы сильно вытянуты).

Твердые тела разделяют на кристаллические и аморфные. Кристаллы строятся по принципу наиболее плотной упаковки. Расположение частиц в пространственной решетке специфичны для каждого кристаллического тела.

Для кристаллических тел характерным является не только ближний, но и дальний порядок расположения частиц. Кристаллические тела анизотропны (почти все, кроме кубической решетки), могут изменять механические, электрические, магнитные, оптические свойства из-за изменения кристаллического напряжения.

У аморфных тел дальний порядок отсутствует, и из-за этого отсутствует резко выраженная точка плавления, поэтому они постепенно переходят в жидкое состояние из-за возрастания колебаний атомов. Аморфные тела изотропны.

Переход кристаллического тела в жидкое состояние (или плавление) связан со значительно меньшим изменением степени упорядоченности частиц, чем переход из жидкого состояния в газообразное. Известно, что доля свободного пространства в плотнейших упаковках равна 26%. При плавлении кристаллов доля свободного объема возрастает до 29% вследствие нарушения идеального порядка расположения частиц, поэтому физические свойства расплава (плотность, теплоемкость) изменяются незначительно.