A single-cristal , o monocristalino , sólido es un material en el que la red cristalina de toda la muestra es continua e ininterrumpida a los bordes de la muestra, sin límites de grano . [1] La ausencia de los defectos asociados con los límites de los granos puede dar a los monocristales propiedades únicas, particularmente mecánicas, ópticas y eléctricas, que también pueden ser anisotrópicas , dependiendo del tipo de estructura cristalográfica . [2] Estas propiedades, además de hacer que algunas gemas sean preciosas, se utilizan industrialmente en aplicaciones tecnológicas, especialmente en óptica y electrónica. [3]
Debido a que los efectos entrópicos favorecen la presencia de algunas imperfecciones en la microestructura de los sólidos, como impurezas , deformaciones no homogéneas y defectos cristalográficos como dislocaciones , los monocristales perfectos de tamaño significativo son extremadamente raros en la naturaleza. [2] Las condiciones de laboratorio necesarias a menudo aumentan el costo de producción. Por otro lado, los monocristales imperfectos pueden alcanzar tamaños enormes en la naturaleza: se sabe que varias especies minerales como el berilo , el yeso y los feldespatos han producido cristales de varios metros de diámetro. [4] [1]
Lo opuesto a un monocristal es una estructura amorfa donde la posición atómica se limita a un orden de corto alcance solamente. [5] Entre los dos extremos existe el policristalino , que se compone de varios cristales más pequeños conocidos como cristalitos y fases paracristalinas . [6] Los monocristales suelen tener caras planas distintivas y algo de simetría, donde los ángulos entre las caras dictarán su forma ideal. Las piedras preciosas son a menudo monocristales cortados artificialmente a lo largo de planos cristalográficos para aprovechar las propiedades refractivas y reflectantes. [6]
Métodos de producción
Aunque los métodos actuales son extremadamente sofisticados con la tecnología moderna, los orígenes del crecimiento de cristales se remontan a la purificación de la sal por cristalización en 2500 a. C. Un método más avanzado que utiliza una solución acuosa se inició en 1600 CE, mientras que los métodos de fusión y vapor comenzaron alrededor de 1850 CE. [7]
Los métodos básicos de crecimiento de cristales se pueden dividir en cuatro categorías según de qué se cultivan artificialmente: fundido, sólido, vapor y solución. [2] Las técnicas específicas para producir monocristales grandes (también conocidos como bolas ) incluyen el proceso de Czochralski (CZ) , la zona flotante (o movimiento de la zona) y la técnica de Bridgman . El Dr. Teal y el Dr. Little de Bell Telephone Laboratories fueron los primeros en utilizar el método Czochralski para crear monocristales de Ge y Si. [8] Se pueden utilizar otros métodos de cristalización, dependiendo de las propiedades físicas de la sustancia, incluida la síntesis hidrotermal , la sublimación o simplemente la cristalización a base de disolvente . [9] Por ejemplo, se puede utilizar un método Kyropoulos modificado para cultivar monocristales de zafiro de alta calidad de 300 kg. [10] El método Verneuil , también llamado método de fusión por llama, se usó a principios de 1900 para hacer rubíes antes de la CZ. [7] El diagrama de la derecha ilustra la mayoría de los métodos convencionales. Ha habido nuevos avances como las deposiciones de vapor químico (CVD) junto con diferentes variaciones y ajustes a los métodos existentes. Estos no se muestran en el diagrama.
En el caso de monocristales metálicos, las técnicas de fabricación también incluyen epitaxia y crecimiento anormal de granos en sólidos. [11] La epitaxia se utiliza para depositar capas muy delgadas (escala micrométrica a nanométrica) del mismo o de diferentes materiales en la superficie de un monocristal existente. [12] Las aplicaciones de esta técnica se encuentran en las áreas de producción de semiconductores, con usos potenciales en otros campos nanotecnológicos y catálisis. [13]
Aplicaciones
La industria de semiconductores
Uno de los monocristales más utilizados es el de silicio en la industria de los semiconductores. Los cuatro métodos principales de producción de monocristales semiconductores son a partir de soluciones metálicas: epitaxia en fase líquida (LPE), electroepitaxia en fase líquida (LPEE), método del calentador móvil (THM) y difusión en fase líquida (LPD). [14] Sin embargo, hay muchos otros monocristales además de los monocristales inorgánicos capaces de semiconductores, incluidos los semiconductores orgánicos monocristalinos.
El silicio monocristalino se utiliza en la fabricación de semiconductores y la energía fotovoltaica es el mayor uso de la tecnología monocristalina en la actualidad. [15] En energía fotovoltaica, la estructura cristalina más eficiente producirá la mayor conversión de luz en electricidad. [16] En la escala cuántica en la que operan los microprocesadores , la presencia de límites de grano tendría un impacto significativo en la funcionalidad de los transistores de efecto de campo al alterar las propiedades eléctricas locales. [17] Por lo tanto, los fabricantes de microprocesadores han invertido mucho en instalaciones para producir grandes monocristales de silicio. El método de Czochralski y la zona flotante son métodos populares para el crecimiento de cristales de silicio. [18]
Otros monocristales semiconductores inorgánicos incluyen GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe y ZnTe. La mayoría de estos también se pueden ajustar con varios dopajes para obtener las propiedades deseadas. [19] El grafeno monocristalino también es muy deseado para aplicaciones en electrónica y optoelectrónica con su gran movilidad de portador y alta conductividad térmica, y sigue siendo un tema de ferviente investigación. [20] Uno de los principales desafíos ha sido el crecimiento de monocristales uniformes de grafeno bicapa o multicapa en grandes áreas; el crecimiento epitaxial y la nueva ECV (mencionada anteriormente) se encuentran entre los nuevos métodos prometedores que se están investigando. [21]
Los monocristales orgánicos semiconductores son diferentes de los cristales inorgánicos. Los enlaces intermoleculares débiles significan temperaturas de fusión más bajas y presiones de vapor más altas y una mayor solubilidad. [22] Para que los monocristales crezcan, la pureza del material es crucial y la producción de materiales orgánicos generalmente requiere muchos pasos para alcanzar la pureza necesaria. [23] Se están realizando investigaciones exhaustivas para buscar materiales que sean térmicamente estables con una alta movilidad de portadores de carga. Los descubrimientos anteriores incluyen naftaleno, tetraceno y 9,10-difenilantaceno (DPA). [24] Los derivados de trifenilamina se han mostrado prometedores, y recientemente, en 2021, la estructura monocristalina del α-fenil-4 ′ - (difenilamino) estilbeno (TPA) cultivado con el método de solución exhibió un potencial aún mayor para el uso de semiconductores con su transporte de orificios anistrópicos propiedad. [25]
Aplicación óptica
Los monocristales tienen propiedades físicas únicas debido a que son un solo grano con moléculas en un orden estricto y sin límites de grano. [2] Esto incluye propiedades ópticas, y los monocristales de silicio también se utilizan como ventanas ópticas debido a su transparencia en longitudes de onda infrarrojas (IR) específicas , lo que lo hace muy útil para algunos instrumentos. [5]
Zafiros : más conocidos como la fase alfa del óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) por los científicos, los monocristales de zafiro se utilizan ampliamente en la ingeniería de alta tecnología. Puede cultivarse a partir de fases gaseosa, sólida o en solución. [10] El diámetro de los cristales resultantes del método de crecimiento es importante al considerar los usos electrónicos posteriores. Se utilizan para láseres y ópticas no lineales . Algunos usos notables son como en la ventana de un lector biométrico de huellas dactilares, discos ópticos para almacenamiento de datos a largo plazo e interferómetro de rayos X. [2]
Fosfuro de indio : Estos monocristales son particularmente apropiados para combinar la optoelectrónica con la electrónica de alta velocidad en forma de fibra óptica con sus sustratos de gran diámetro. [26] Otros dispositivos fotónicos incluyen láseres, fotodetectores, fotodiodos de avalancha, moduladores y amplificadores ópticos, procesamiento de señales y circuitos integrados optoelectrónicos y fotónicos. [27]
Germanio : este fue el material del primer transistor inventado por Bardeen, Brattain y Shockley en 1947. Se utiliza en algunos detectores de rayos gamma y ópticas infrarrojas. [28] Ahora se ha convertido en el foco de los dispositivos electrónicos ultrarrápidos por su movilidad intrínseca de portadora. [27]
Arseniuro : El arseniuro III se puede combinar con varios elementos como B, Al, Ga e In, y el compuesto de GaAs tiene una gran demanda para las obleas. [27]
Telururo de cadmio : los cristales de CdTe tienen varias aplicaciones como sustratos para imágenes de infrarrojos, dispositivos electroópticos y células solares . [29] Aleando CdTe y ZnTe juntos, se pueden fabricar detectores de rayos X y rayos gamma a temperatura ambiente. [27]
Conductores eléctricos
Sorprendentemente, los metales se pueden producir en forma de monocristal y proporcionan un medio para comprender el rendimiento final de los conductores metálicos. Es vital para comprender la ciencia básica, como la química catalítica, la física de superficies, los electrones y los monocromadores . [4] La producción de monocristales metálicos tiene los más altos requisitos de calidad y se cultivan o se extraen en forma de varillas. [30] Algunas empresas pueden producir geometrías, ranuras, agujeros y caras de referencia específicas junto con diámetros variables. [19]
De todos los elementos metálicos, la plata y el cobre tienen la mejor conductividad a temperatura ambiente, lo que marca el listón del rendimiento. [31] El tamaño del mercado y los caprichos en la oferta y el costo han proporcionado fuertes incentivos para buscar alternativas o encontrar formas de utilizar menos de ellas mejorando el rendimiento.
La conductividad de los conductores comerciales a menudo se expresa en relación con el Estándar Internacional de Cobre Recocido , según el cual el alambre de cobre más puro disponible en 1914 medía alrededor del 100%. El alambre de cobre moderno más puro es un mejor conductor, midiendo más del 103% en esta escala. Las ganancias provienen de dos fuentes. Primero, el cobre moderno es más puro. Sin embargo, esta vía de mejora parece haber llegado a su fin. Hacer el cobre más puro todavía no supone una mejora significativa. En segundo lugar, se han mejorado los procesos de recocido y otros. El recocido reduce las dislocaciones y otros defectos del cristal que son fuentes de resistencia. Pero los alambres resultantes siguen siendo policristalinos. Los límites del grano y los defectos cristalinos restantes son responsables de cierta resistencia residual. Esto se puede cuantificar y comprender mejor examinando los cristales individuales.
Como se anticipó, el cobre monocristalino demostró tener una mejor conductividad que el cobre policristalino. [32]
Material | ρ (μΩ ∙ cm) | IACS [34] |
---|---|---|
Ag monocristalino, dopado con 3 % en moles de Cu | 1,35 | 127% |
Cu monocristalino, posteriormente procesado [35] | 1,472 | 117,1% |
Ag monocristalino | 1,49 | 115,4% |
Cu monocristalino | 1,52 | 113,4% |
Alambre de Ag de alta pureza (policristalino) | 1,59 | 108% |
Alambre de Cu de alta pureza (policristalino) | 1,67 | ˃103% |
Sin embargo, el cobre monocristalino no solo se convirtió en un mejor conductor que la plata policristalina de alta pureza, sino que con el tratamiento prescrito de calor y presión podría superar incluso la plata monocristalina. Aunque las impurezas suelen ser malas para la conductividad, un monocristal de plata con una pequeña cantidad de sustituciones de cobre resultó ser el mejor.
A partir de 2009, no se fabrica industrialmente cobre monocristalino a gran escala, pero los métodos para producir tamaños de cristal individuales muy grandes para conductores de cobre se explotan para aplicaciones eléctricas de alto rendimiento. Estos pueden considerarse metacristales con solo unos pocos cristales por metro de longitud.
Palas de turbina de cristal único
Otra aplicación de los sólidos monocristalinos es la ciencia de los materiales en la producción de materiales de alta resistencia con baja fluencia térmica , como palas de turbinas . [36] Aquí, la ausencia de límites de grano en realidad produce una disminución en el límite elástico, pero lo que es más importante, disminuye la cantidad de fluencia que es crítica para aplicaciones de piezas de alta temperatura y tolerancia estrecha. [37] El investigador Barry Piearcey descubrió que una curva en ángulo recto en el molde de fundición disminuiría el número de cristales columnares y, más tarde, el científico Giamei utilizó esto para iniciar la estructura monocristalina de la pala de la turbina. [38]
En la investigación
Los monocristales son esenciales en la investigación, especialmente en la física de la materia condensada y en todos los aspectos de la ciencia de los materiales , como la ciencia de la superficie . [2] El estudio detallado de la estructura cristalina de un material mediante técnicas como la difracción de Bragg y la dispersión del átomo de helio es más fácil con los monocristales porque es posible estudiar la dependencia direccional de varias propiedades y compararlas con las predicciones teóricas. [39] Además, las técnicas de promediado macroscópico, como la espectroscopia de fotoemisión de resolución angular o la difracción de electrones de baja energía, solo son posibles o significativas en superficies de monocristales. [40] [41] En superconductividad ha habido casos de materiales en los que la superconductividad solo se ve en una muestra monocristalina. [42] Pueden cultivarse para este propósito, incluso cuando el material solo se necesita en forma policristalina .
Como tal, se están estudiando numerosos materiales nuevos en su forma monocristalina. El campo joven de las estructuras orgánicas metálicas (MOF) es uno de los muchos que califican para tener monocristales. En enero de 2021, el Dr. Dong y el Dr. Feng demostraron cómo se pueden optimizar los ligandos aromáticos policíclicos para producir grandes monocristales 2D MOF de tamaños de hasta 200 μm. Esto podría significar que los científicos pueden fabricar dispositivos monocristalinos y determinar la conductividad eléctrica intrínseca y el mecanismo de transporte de carga. [43]
El campo de la transformación fotodirigida también puede estar involucrado con monocristales con algo llamado transformaciones de monocristal a monocristal (SCSC). Estos proporcionan la observación directa del movimiento molecular y la comprensión de los detalles mecanicistas. [44] Este comportamiento de intercambio de fotos también se ha observado en investigaciones de vanguardia sobre imanes de molécula única de lantánidos mononucleares intrínsecamente no fotosensibles (SMM). [45]
Ver también
- Aspectos de ingeniería de la cristalización
- Cristalización fraccionada
- Crecimiento de pedestal calentado por láser
- Micro-tirando hacia abajo
- Recristalización
- Cristal de semillas
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Otras lecturas
- "Cristalización de moléculas pequeñas" ( PDF ) en el sitio web del Instituto de Tecnología de Illinois