Der ultimative Leitfaden für Kristallmaterialien

Kristalle können die Wechselwirkung und Umwandlung von Elektrizität, Magnetismus, Licht, Schall und Kraft usw. realisieren. Sie sind ein unverzichtbares und wichtiges Material für die Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie.

Insbesondere aufgrund der raschen Entwicklung der Festkörpermikroelektronik besteht ein großer Bedarf an einer Vielzahl von Kristallmaterialien, darunter Halbleiterkristalle, Laserkristalle, Szintillationskristalle, optische Kristalle, superharte Kristalle, isolierende Kristalle, piezoelektrische Kristalle usw. Kristallmaterialien stehen an der Spitze der Entwicklung der Materialwissenschaften, die eng mit neuen Technologien wie Raumfahrt, Elektronik, Laser, Entwicklung neuer Energien und Biomedizin verbunden sind. Die Arten von Kristallmaterialien und ihre Anwendungen sind äußerst vielfältig.

In diesem Beitrag stellen wir kurz einige gängige Kristallmaterialien und ihre Anwendungen vor.

Halbleiterkristalle

Halbleiterkristalle sind das wichtigste Grundmaterial für die Halbleiterindustrie. Sie nehmen unter den kristallinen Materialien die Spitzenposition ein, was ihre breite Anwendung und Bedeutung angeht.

Halbleiterkristall ist in den 1950er Jahren entwickelt, die erste Generation von Halbleiter-Vertreter Materialien: Germanium (Ge) Einkristall und Silizium-Einkristall (Si), aus ihnen eine Vielzahl von Dioden, Transistoren, Feldeffekt-Röhren, Silizium-Controller und High-Power-Röhren und andere Geräte, so dass die integrierte Schaltung von nur einem Dutzend Einheiten der Schaltung rasche Entwicklung zu Tausenden von Komponenten der ultra-großen integrierten Schaltung enthalten, löste die integrierte Schaltung ( IC) als das Herzstück der raschen Entwicklung auf dem Gebiet der Mikroelektronik, eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit der Arbeit der integrierten Schaltungen bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten. Dies wiederum hat die breite Anwendung von ICs in der Weltraumforschung, bei Kernwaffen, Raketen, Radar, elektronischen Computern, militärischen Kommunikationsgeräten und zivilen Anwendungen gefördert.

Bei den Halbleitermaterialien der zweiten Generation handelt es sich um Verbindungshalbleiter, vor allem Galliumarsenid (GaAs), Indiumantimonid (InSb) und Indiumphosphid (InP), die hauptsächlich zur Herstellung von Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungselektronik verwendet werden und in den Bereichen Satellitenkommunikation, Mobilkommunikation und optische Kommunikation weit verbreitet sind. GaAs, InP und andere zusammengesetzte Materialien sind knapp, müssen durch Synthese hergestellt werden, sind relativ teuer und umweltschädlich, was ihre Verbreitung erschwert und einschränkt, so dass sie nach und nach durch die dritte Generation von Halbleitermaterialien ersetzt werden.

Bei den Halbleitermaterialien der dritten Generation handelt es sich hauptsächlich um Breitband-Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Zinkoxid (ZnO), Diamant und Aluminiumnitrid (AlN). Im Vergleich zu den Halbleitermaterialien der ersten und zweiten Generation weisen die Halbleitermaterialien der dritten Generation eine große Bandbreite, ein hohes elektrisches Durchbruchsfeld, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Elektronensättigungsrate und eine höhere Strahlungsbeständigkeit auf und eignen sich daher besser für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, Strahlungsbeständigkeits- und Hochleistungsgeräten und werden in der Regel als Breitband-Halbleitermaterialien (Bandbreite größer als 2,2ev) bezeichnet, die auch als Hochtemperatur-Halbleitermaterialien bekannt sind.

Optische Kristalle

Optische Kristalle werden als optische Komponenten von Kristallen verwendet, wie z. B. Lithiumhalogenid-Kristallfluorid, Kalziumfluorid, Magnesiumfluorid, Bariumfluorid, sie haben gute Übertragungseigenschaften im Ultravioletten und im Infraroten, so dass sie als Ultraviolett-Excimer-Laser und einige Infrarot-Laser-Ausgangsfenster, Linse, Prisma, Rotor, Wellenblatt, etc. verwendet werden können.Oxide wie Saphir Al2O3, Yttrium Vanadat YVO4, Kristall, etc. können auch als die Arbeit der oben genannten Laser verwendet werden Oxid wie Saphir Al2O3, Yttrium Vanadat YVO4, Kristall, etc. können auch als Ausgangsfenster, Linse, Prisma, etc. der oben genannten Laser verwendet werden.

Laserkristall

Der Laser ist eine wunderbare "Substanz", eine weitere große Entdeckung der Menschheit nach der Atomenergie, Computern und Halbleitern. Wie wir alle wissen, ist die Helligkeit des Lasers so hoch, dass sie das Milliardenfache der Helligkeit der Sonne oder sogar noch mehr erreichen kann; der Laser ist rein und monochromatisch; der Laser hat eine unvergleichliche Kollimation (geradlinige Ausbreitung); und der Laser hat eine starke Energie, und der sofortige Energiestoß kann selbst die härtesten Objekte durchdringen und schmelzen. Daher werden Laser in der Produktion, im Leben und in der Forschung häufig eingesetzt und sind ein leistungsfähiges Werkzeug für die Erforschung der Natur.

Das Gerät, das Laserlicht erzeugt, wird als Laser bezeichnet. Unter den verschiedenen derzeit verfügbaren Lasern sind die Festkörperlaser die vielversprechendsten. Der Laserkristall (Laserkristall), ein kristallines Material, das die von der Außenwelt gelieferte Energie in einen hochparallelen, monochromatischen, räumlich und zeitlich kohärenten Laser durch einen optisch resonanten Hohlraum umwandelt, ist die Arbeitssubstanz von Kristalllasern und das grundlegende Trägermaterial für die Festkörperlasertechnologie und -industrie. Zu den gängigen Laserkristallen gehören Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Titan-Edelsteinkristalle, Rubinkristalle usw.

Szintillationskristall

Ein Kristall, der die kinetische Energie hochenergetischer Teilchen in Lichtenergie umwandeln und Fluoreszenz aussenden kann, wird als Szintillationskristall bezeichnet, wenn er von hochenergetischen Teilchen getroffen wird. Szintillationskristalle können für den Nachweis von Röntgenstrahlen, γ-Strahlen, Neutronen und anderen hochenergetischen Teilchen verwendet werden. Die Detektions- und Bildgebungstechnologie mit dem Szintillationskristall als Kernstück findet breite Anwendung in der Nuklearmedizin, der Hochenergiephysik, der Sicherheitsinspektion, der zerstörungsfreien industriellen Fehlererkennung, der Weltraumphysik und der nuklearen Erkundung usw. Die verwendeten Szintillationskristalle werden in der Regel durch künstliche Verfahren hergestellt, und es gibt viele verschiedene Arten. Die derzeit am häufigsten verwendeten Szintillationskristalle sind BGO (Abkürzung für den allgemeinen Namen der Bi2O3-GeO2-Systemverbindung Bismutgermanat), CsI (Cäsiumjodid), PbWO4 (Bleiwolframat) usw.

Superharte Kristalle

Diamant, auch "Diamant" genannt, ist ein natürliches Mineral und das härteste Material der Natur. Es handelt sich um einen Einkristall aus Kohlenstoffelementen, der unter hohem Druck und hoher Temperatur über einen langen Zeitraum in den Tiefen der Erde entstanden ist. Diamanten, die in der Natur gefunden und abgebaut werden können, sind extrem selten, in der Regel kann nur insgesamt 1 Karat fein zerkleinerter Diamanten pro 4 Kubikmeter reichhaltigen Erzes gewonnen werden, und große Diamanten, die kristallklar und makellos sind, sind noch seltener.

Seit den 1950er Jahren wurden verschiedene Methoden zur künstlichen Herstellung von Diamanten erforscht und entwickelt, vor allem die Hochtemperatur- und Hochdrucktechnik (HTHP), die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), das Strahlenverfahren usw. 1955 nutzte GE zum ersten Mal die HTHP-Methode zur Synthese von Diamantkristallen. In den 1980er Jahren setzte weltweit ein Forschungsboom zu CVD-Diamant ein, und es wurden verschiedene Präparationsverfahren wie die Heißdrahtmethode (HFCVD), das Mikrowellenplasma (MPCVD) und das Gleichstrombogenplasmajet-CVD entwickelt, die die Grundlage für die späteren Anwendungen bildeten.

Die hohe Härte ist eine der vielen Eigenschaften von Diamant. Mit der extrem hohen Härte von Diamant können verschiedene Werkzeuge hergestellt werden, die bei der Bearbeitung von Stein, Nichteisenmetallen, schwer zu bearbeitenden Verbundwerkstoffen (z. B. Kohlefaserverbundwerkstoffen) usw. eine unersetzliche Rolle spielen und eine effiziente, hochpräzise und umweltfreundliche Bearbeitung ermöglichen.

Bei der Verwendung von Diamant in großen Mengen hat man auch seine Mängel festgestellt. Einer der prominentesten Punkt ist, dass bei der Verarbeitung einiger harter Materialien mit Diamant, wie Schleifen eine große Anzahl von Stahl und gesintertem Siliziumkarbid, die Oberflächentemperatur von Diamant bis zu 1500 ~ 2000 ℃, in diesem Zustand, die Stärke von Diamant schnell abnimmt, und sehr leicht mit dem Sauerstoff in der Luft antagonistisch zu produzieren ähnliche "Brennen" Phänomen. Gleichzeitig wird der Diamant selbst kontinuierlich zu weichem Graphit reduziert, der zum Schleifen unbrauchbar ist, was zu einem sehr schnellen Verlust des Diamanten führt. Nach der kontinuierlichen Erforschung der Menschen, eine neue Art von superharten Material kubisches Bornitrid Kristall wurde synthetisiert, um den Nachteil von Diamant, kubische Struktur von Bornitrid - CBN, seine Kristallstruktur ist ähnlich wie Diamant, die Härte ist etwas niedriger als Diamant, aber die thermische Stabilität ist viel höher als Gold Stahl, die Eisen-Metall-Elemente haben größere chemische Stabilität. Die Schleifleistung von Schleifmitteln aus kubischem Bornitrid ist hervorragend, sie sind nicht nur in der Lage, schwer zu schleifende Werkstoffe zu bearbeiten und die Produktivität zu verbessern, sondern auch chemisch inert, was die Schleifqualität der Werkstücke effektiv verbessern kann. Beide haben ihre eigenen Stärken, und die tatsächliche Anwendung hängt vom jeweiligen Anlass ab.

Piezoelektrisches Kristallmaterial

Wenn ein Kristall einer äußeren Kraft ausgesetzt ist, polarisiert er sich und bildet eine Oberflächenladung, ein Phänomen, das als positiver piezoelektrischer Effekt bekannt ist; umgekehrt verformt sich der Kristall, wenn er einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, ein Phänomen, das als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist. Kristalle mit einem piezoelektrischen Effekt werden als piezoelektrische Kristalle bezeichnet, die nur in Kristallen ohne Symmetriezentrum vorkommen. Der erste piezoelektrische Kristall, der entdeckt wurde, ist der Kristall (α-SiO2), der sich durch Frequenzstabilität auszeichnet und ein ideales piezoelektrisches Material für die Herstellung von Resonatoren, Filtern, Wandlern, optischen Ablenkern, Oberflächenwellengeräten und verschiedenen thermischen, gas-, lichtempfindlichen und chemosensitiven Geräten ist. Auch im täglichen Leben findet es breite Anwendung, z. B. in Quarzuhren, elektronischen Uhren, Farbfernsehgeräten, Stereoradios und Kassettenrekordern.

In den letzten Jahren wurden viele neue piezoelektrische Kristalle entwickelt, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO3) und Kaliumniobat (KNbO3) mit Chalkogenid-Struktur. Der piezoelektrische Effekt dieser Kristalle kann für eine Vielzahl von Geräten genutzt werden, die in der militärischen und zivilen Industrie weit verbreitet sind, z. B. Blutdruckmessgeräte, piezoelektrische Tastaturen, Verzögerungsleitungen, Oszillatoren, Ultraschallwandler, piezoelektrische Transformatoren usw.

Isolierte Kristalle

Ein typisches Beispiel für ein isolierendes Plättchen ist ein Glimmerplättchen. Glimmer ist ein allgemeiner Begriff für Schichtsilikat-Mineralien, die isolierend, durchsichtig, hitzebeständig, korrosionsbeständig, leicht schälbar und elastisch sind usw. Sie finden breite Anwendung in Elektromotoren, Elektrogeräten, Elektronik, Radio und Haushaltsgeräten und spielen eine wichtige Rolle in der Volkswirtschaft und beim Aufbau der Landesverteidigung. Obwohl es viele Arten von natürlichem Glimmer gibt, wird in der Industrie hauptsächlich weißer Glimmer verwendet, gefolgt von Goldglimmer.

Da synthetischer Glimmer hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Reinheit, Transparenz, Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrische Isolierung aufweist, kann synthetischer Glimmer als Einkristallfolie verwendet werden:

① Isolierrahmen in verschiedenen Vakuumgeräten, wie z.B. Gaspedal, Ionisationskammer, Magnetron und Elektronenröhre;

② Fenstermaterial, wie z.B. Ausgangsfenster für Mikrowellenröhren, Beobachtungsfenster für Hochtemperaturöfen und säure- und laugenbeständige Fenster;

③ Hochdruck-Kesselwasserstandsmesser in Wärmekraftwerken;

④ hochtemperaturbeständiger Kondensator, Platindraht Oberflächenthermometer-Skelett, usw.

Schlussfolgerung

Stanford Advanced Materials stellt funktionelle Kristallmaterialien für viele Anwendungsgeräte her. Zu den funktionellen Kristallmaterialien gehören hauptsächlich magneto-optische Kristalle TGG Terbium-Gallium-Granat, TSAG; piezoelektrische Kristalle LT (LiTaO3) Lithiumtantalat, LN (LiNbO3) Lithiumnioat, LGS Lanthangalliumsilikat; Szintillationskristalle Ce: LUAG, Ce: GAGG; Laserkristall Nd:YAG und epitaktische Einkristall-Substratkristalle GGG, SGGG, Lanthan-Aluminat LaAlO3, usw.

Kristallmaterialien finden breite Anwendung in Geräten wie elektrischen und optischen Q-Schaltern, optischen Isolatoren, optischen Rotatoren usw. Optische Isolatoren, einschließlich Faraday-Freiraumisolatoren und Faserisolatoren, variieren von einer Wellenlänge von 450nm bis 1100nm.