Enkeltkrystallers rolle i at skabe nye materialer

Når det kommer til at skabe nye materialer, enkeltkrystaller spiller en vigtig rolle i at præsentere et klarere billede af et materiales iboende egenskaber. Et typisk materiale vil bestå af masser af mindre krystaller, og korngrænserne mellem disse krystaller kan virke som hindringer, påvirker egenskaber såsom elektrisk eller termisk modstand.

"Disse grænser kan have dybtgående virkninger, både godt og ondt, " sagde Ames Laboratory materialeforsker og vicedirektør Tom Lograsso. "Generelt, et materiale, der har mindre og mindre krystaller, har faktisk forbedrede mekaniske egenskaber."

En undtagelse fra denne regel er, at ved høj temperatur, i forhold til smeltepunktet, små krystaller kan have en tendens til at glide forbi hinanden, en egenskab kaldet krybning. Det er af denne grund, at turbinevinger i nogle jetmotorer eller generatorer faktisk er dannet af enkeltkrystaller af nikkel-baseret legering. Et par andre hverdagsapplikationer, der bruger enkeltkrystaller, er halvledere, detektorer, såsom infrarøde eller strålingssensorer, og lasere.

"Den aktive komponent i en laser er en enkelt krystal, sagde Lograsso, som også er adjungeret professor ved Iowa State University i materialevidenskab og teknik, "fordi krystalkorngrænserne ville sprede lyset."

Fra et forskningsmæssigt synspunkt, især når man laver nyt materiale, forskere ønsker at fjerne så mange variabler som muligt for bedst muligt at forstå et materiales egenskaber. En primær måde at gøre dette på er at begynde med råmaterialer, der er så rene som muligt og at fremstille materialet som en enkelt krystal. "Du ønsker ikke defekter i krystalstrukturen, og du vil ikke have urenheder, som kan være en kilde til ekstra kernedannelse, " sagde Lograsso. "Nye materialer kan have ny fysik, og vi kan bestemme, hvad det er, hvis vi foretager målinger på en ren, uberørt prøve (dvs. enkeltkrystal). Og hvis vi gør det konsekvent, vi kan sammenligne med andre materialer og se, hvordan det passer ind i vores forståelse af bestemt adfærd."

Ames Laboratory-forskere anvender en række teknikker til at dyrke enkeltkrystaller, med hver egnet til at producere krystaller fra forskellige typer materialer. Imidlertid, den grundlæggende forudsætning er den samme - overmætning af en løsning, derefter udfældes krystallen.

"Som børn, vi er bekendt med at tilføje stensalt eller sukker til varmt vand, indtil du overmætter væsken, " sagde Lograsso. "Så, som vandet afkøles og til sidst begynder at fordampe, krystaller af salt eller sukker begynder at dannes og vokser derefter.

"Du kan gøre det samme med omtrent alle to materialer, bruge en som opløsningsmiddel og derefter bruge varme eller høje temperaturer til at overmætte opløsningsmidlet, " fortsatte han. "Den vanskelige del er først at få en enkelt krystal til at danne sig og derefter vokse."

Denne "udøvers kunst" kræver tålmodighed og dygtighed, selvom de forskellige teknikker, der er beskrevet her, også giver en vis hjælp. Generelt, en høj temperaturgradient hjælper også med at fremme en stabil vækstovergang fra flydende til fast stof.

Bridgman teknik

En af de mere kendte metoder, Bridgman-teknikken – opkaldt efter Harvard-fysikeren Percy Williams Bridgman – bruger en digel med en spids, konisk ende. Dette fine punkt fremmer væksten af ​​en enkelt krystal, når diglen forlader den opvarmede del af ovnen. Varmen tilføres gennem et varmeelement, der ligner det i en hjemmeovn (modstand) eller via et magnetfelt (induktion).

"Digler ældes med tiden og bliver bedre til at producere enkeltkrystaller, " sagde Lograsso. "Desværre, du knækker nogle gange diglen ved at fjerne krystallen. Fordi de vokser inde i en digel, krystaller dannet på denne måde kan også udvikle spændinger såsom revner eller hulrum."

Ames Laboratory har også en speciel Bridgman-ovn, der tillader krystalvækst ved højere tryk - op til 15 Bar. Dette tillader vækst af krystaller fra legeringer, der indeholder flygtige komponenter. Det høje tryk forhindrer disse komponenter, som har et lavere kogepunkt end legerings øvrige komponenter, fra at blinke af som en damp, før krystallen kan dannes.

Denne ovn bruger induktionsvarme, som giver en stejlere temperaturgradient, tillader hurtigere krystalvæksthastigheder for yderligere at minimere fordampning og reaktion med diglen.

Czochralski teknik

Denne metode opvarmer også materialet i en digel, men her, krystallen er faktisk trukket fra den smeltede opløsning. Lograsso sammenligner det med at dyppe et stearinlys "undtagen du kun dypper én gang."

En frøkrystal af materialet er fastgjort til enden af ​​en stang. Stangen sænkes, indtil frøkrystallen netop rører overfladen af ​​det smeltede materiale i diglen. Stangen roteres derefter og trækkes meget langsomt tilbage, trække den nydannede krystal fra væsken.

"Fordi krystallen er fritstående, det har ikke de belastninger, som du nogle gange får med Bridgman-metoden, " sagde Lograsso. "Afhængigt af materialet, krystaller kan også være 60 cm i diameter, eller større, og flere fod i længden. Dette er en meget almindelig metode til fremstilling af store siliciumkrystaller, som er skåret i skiver til brug i halvledere."

Float-zone teknik

Optisk float-zone teknik bruger fokuseret, høj intensitet lys til at skabe enkeltkrystaller, især dem, der indeholder metaloxider. Ifølge associeret videnskabsmand Yong Liu, Teknikken giver et par fordele til at dyrke mange typer krystaller.

"Den er beholderfri - du behøver ikke eller bruger en digel til at dyrke krystallen, så den eliminerer enhver potentiel reaktion mellem prøven og beholderen, " sagde Liu. "Fordi smeltezonen er meget fokuseret og smal, vi er i stand til at opnå en meget stor temperaturgradient mellem den faste og flydende fase, hvilket resulterer i krystalvækst af høj kvalitet."

En typisk optisk flydezoneovn består af fire kraftige halogenpærer anbragt i en ring omkring prøven. Halvsfæriske reflektorer omkring hver pære fokuserer den intense lysenergi i et smalt bånd omkring prøven ved temperaturer op til 2, 100 grader Celsius.

Selve prøveblokken starter i to stykker. Den kortere "frø" side er på bunden og holdt i en base. Den længere "foder" side er ophængt tæt over frøsiden. Da de to sider begynder at smelte, en lille pool af væske samler sig på hver overflade, og når de bringes tættere på hinanden, bassinernes overfladespænding forbindes for at danne et timeglasformet bånd af smeltet materiale mellem frø- og fodersiden.

Ved at dreje de to sider i modsatte retninger, væskeprøven "omrøres" effektivt for at sikre en ensartet fordeling af materiale i smeltezonen. Prøven sænkes derefter langsomt gennem den fokuserede cirkel af lys, lader den smalle smeltezone gradvist smelte, bland og størk sig op ad fodersiden af ​​prøven.

"For materialer med lavt damptryk, vi kan dyrke krystaller med en hastighed på en millimeter i timen, " sagde Liu. "Vi kan bruge teknikken på en række forskellige materialer, men vi starter altid med fasediagrammet (en slags vækstkort) for at afgøre, om det er muligt. Vi kan ikke dyrke krystaller med højt damptryk, eller som kan være giftige ved hjælp af denne metode."

Løsning/flux vækst

Mens de andre tre metoder fungerer godt for materialer, hvor det krystallinske resultat er kendt, forskere søger også at opdage og dyrke enkeltkrystaller af nye binære, ternær, kvaternære eller højere forbindelser. I mange tilfælde, materialerne i disse forbindelser smelter ikke kongruent, hvilket betyder, at de ikke smelter ved en enkelt temperatur.

"Løsningsvækst er ekstremt alsidig, og du kan ofte optimere og cykle hurtigt igennem det, " sagde Ames Laboratory fysiker og Iowa State University Distinguished Professor Paul Canfield. "Generelt, det giver dig ikke så stor en krystal, men for grundlæggende fysiske målinger, noget mellem en millimeter og en centimeter er mere end tilstrækkeligt."

I praksis, forbindelserne til målkrystallen kombineres med et materiale, der vil tjene som opløsningen, hvori krystalforbindelsen vil opløses. For eksempel, at dyrke en cerium-antimon krystal fra en tinopløsning, eller flux, du kan starte med fire procent hver af Ce og Sb med de andre 92 procent Sn.

Materialerne går ind i en "vækst"-digel, der er parret med en "fangst"-digel. Disse forsegles derefter i et silicarør. Rørsamlingen placeres i en ovn og opvarmes, så alle elementerne smelter. Temperaturen sænkes derefter tættere på opløsningselementets smeltepunkt, lader målkrystallen dannes. I Ce-Sb i Sn flux eksempel, starttemperaturen er ca. 1, 000 grader Celsius, derefter sænket til 600 grader.

For derefter at adskille det flydende tin fra Ce-Sb krystallen, rørsamlingen fjernes fra ovnen og anbringes straks i en centrifuge, som spinder den resterende flydende dåse af i fangdigelen, efterlader krystallen. Centrifugen leverer op til 100 gange kraften af ​​simpel gravitationsdekantering, hvilket resulterer i "renere" krystaller.

"Når du udvikler nye materialer, du skal have en vis fortrolighed med ingredienserne og teknikkerne ved hånden, " sagde Canfield. "Med vækst i løsninger, vi kan gå fra at se på superledere og ferromagneter, at dreje briller, til kvasikrystaller - gå fra et materiale til et andet til et andet - blot ved at ændre elementer eller vækstbetingelser. I løbet af 20 år her, vi nærmer os 10 tusinde forskellige vækster."