크리스탈 머티리얼에 대한 궁극의 가이드

결정은 전기, 자기, 빛, 소리, 힘 등의 상호 작용과 변환을 실현할 수 있습니다. 현대 과학과 기술의 발전에 없어서는 안 될 중요한 소재입니다.

특히 고체 마이크로 일렉트로닉스의 급속한 발전으로 인해 반도체 결정, 레이저 결정, 신틸레이션 결정, 광학 결정, 초경질 결정, 절연 결정 압전 결정 등 다양한 결정 재료에 대한 필요성이 더욱 커지고 있습니다. 결정 재료는 우주, 전자, 레이저, 신에너지 개발, 바이오 의학과 같은 신기술과 밀접한 관련이 있는 재료 과학 발전의 최전선에 있습니다. 결정 재료의 종류와 응용 분야는 매우 광범위합니다.

이 백서에서는 몇 가지 일반적인 결정 재료와 그 응용 분야를 간략하게 소개합니다.

반도체 결정

반도체 결정은 반도체 산업의 주요 기초 소재입니다. 광범위한 응용 분야와 중요성 측면에서 결정 재료 중 최고의 위치를 차지하고 있습니다.

반도체 결정은 1950년대에 개발된 1세대 반도체 대표 소재인 게르마늄(Ge) 단결정, 실리콘 단결정(Si)으로부터 각종 다이오드, 트랜지스터, 전계효과관, 실리콘 컨트롤러, 고전력관 및 기타 소자를 만들어 수십 개 단위의 회로에 불과하던 집적회로가 수천 개의 부품을 포함하는 초대형 집적회로로 급속히 발전하여 마이크로 전자 분야의 빠른 발전의 핵심으로 집적회로(IC)를 촉발하여 비용을 절감하면서 집적회로 작업의 안정성을 크게 향상시켰습니다. 그 결과 우주 연구, 핵무기, 미사일, 레이더, 전자 컴퓨터, 군용 통신 장비 및 민간 응용 분야에서 IC의 광범위한 응용을 촉진했습니다.

2세대 반도체 재료는 주로 갈륨 비소(GaAs), 안티몬화 인듐(InSb), 인화 인듐(InP) 등의 화합물 반도체로 고주파, 고속, 고전력 전자 장치를 만드는 데 주로 사용되며 위성 통신, 이동 통신, 광통신 분야에서 널리 사용됩니다. GaAs, InP 및 기타 화합물 재료는 부족하고 합성을 통해 형성해야하며 가격이 상대적으로 높고 환경에 더 유해하여 더 널리 사용되기 어렵고 더 제한적이며 점차 3 세대 반도체 재료로 대체됩니다.

3세대 반도체 재료는 주로 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 산화아연(ZnO), 다이아몬드, 질화알루미늄(AlN)으로 대표되는 광대역 반도체 재료입니다. 1세대 및 2세대 반도체 재료에 비해 3세대 반도체 재료는 넓은 대역폭, 높은 항복 전기장, 높은 열전도율, 높은 전자 포화율 및 높은 내방사선 저항을 가지므로 고온, 고주파, 내방사선 및 고전력 장치를 만드는 데 더 적합하며 일반적으로 고온 반도체 재료라고도 알려진 광대역 반도체 재료(2.2ev 이상의 대역폭)라고 불립니다.

광학 결정

광학 결정은 리튬 할라이드 결정 불화, 불화 칼슘, 불화 마그네슘, 불화 바륨과 같은 결정의 광학 성분으로 사용되며 자외선 및 적외선에서 우수한 투과 특성을 가지므로 자외선 엑시머 레이저 및 일부 적외선 레이저 출력 창, 렌즈, 프리즘, 로터, 웨이브 시트 등으로 사용할 수 있습니다.사파이어 Al2O3, 이트륨 바나데이트 YVO4, 크리스탈 등과 같은 산화물도 상기 레이저의 작업으로 사용할 수 있습니다. 사파이어 Al2O3, 이트륨 바나데이트 YVO4, 크리스탈 등과 같은 산화물은 상기 레이저의 출력 창, 렌즈, 프리즘 등으로도 사용할 수 있습니다.

레이저 결정

레이저는 원자 에너지, 컴퓨터, 반도체에 이은 인류의 또 다른 위대한 발견인 놀라운 "물질"입니다. 우리 모두 알다시피 레이저의 밝기는 태양 밝기의 10억 배 이상에 달할 정도로 매우 높고, 레이저는 순수하고 단색이며, 레이저는 비교할 수없는 콜리메이션 (직선 전파)을 가지고 있으며, 레이저는 강력한 에너지를 가지고 있으며 순간적인 에너지 폭발은 가장 단단한 물체도 관통하고 녹일 수 있습니다. 따라서 레이저는 생산, 생활, 연구 분야에서 널리 사용되며 사람들이 자연을 탐구할 수 있는 강력한 도구입니다.

레이저 빛을 발생시키는 장치를 레이저라고 합니다. 현재 사용 가능한 다양한 레이저 중에서 전고체 레이저가 가장 유망한 레이저입니다. 레이저 결정(레이저 크리스탈)은 외부에서 공급된 에너지를 광학적 공명 공동을 통해 시공간적으로 일관된 고도로 평행하고 단색의 레이저로 변환하는 결정 물질로, 결정 레이저의 작동 물질이며 고체 레이저 기술 및 산업의 기본 지원 물질입니다. 일반적인 레이저 결정 재료로는 Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, 티타늄 보석 결정, 루비 결정 등이 있습니다.

신틸레이션 크리스탈

고에너지 입자의 영향을 받아 고에너지 입자의 운동 에너지를 빛 에너지로 바꾸고 형광을 방출할 수 있는 결정을 신틸레이션 크리스탈이라고 합니다. 신틸레이션 크리스탈은 엑스레이, γ선, 중성자 및 기타 고에너지 입자의 검출에 사용할 수 있습니다. 신틸레이션 크리스탈을 핵심으로 하는 검출 및 이미징 기술은 핵의학, 고에너지 물리학, 보안 검사, 산업용 비파괴 결함 검출, 우주 물리학 및 핵 탐사 등에 널리 사용되었습니다. 일반적으로 적용되는 신틸레이션 결정 재료는 인공적인 방법으로 배양되며 많은 종류가 있습니다. 현재 많이 사용되는 신틸레이션 결정은 BGO(Bi2O3-GeO2 계 화합물 비스무트 게르마늄의 총칭 약자), CsI(요오드화 세슘), PbWO4(텅스텐 산납) 등입니다.

초경질 결정

"다이아몬드"라고도 불리는 다이아몬드는 천연 광물이자 자연계에서 가장 단단한 물질입니다. 지구 깊은 곳에서 오랜 시간 동안 고압과 고온에서 형성된 탄소 원소로 구성된 단결정입니다. 자연에서 발견되고 채굴되는 다이아몬드는 매우 희귀하여 보통 풍부한 광석 4입방미터당 1캐럿 정도의 미세하게 분쇄된 다이아몬드만 얻을 수 있으며, 투명하고 결함이 없는 대형 다이아몬드는 더더욱 희귀합니다.

1950년대부터 사람들은 주로 고온고압(HTHP), 화학기상증착(CVD), 블라스트 방식 등 다이아몬드를 인공적으로 합성하는 다양한 방법을 연구하고 개발해 왔습니다. 1955년 GE는 HTHP를 사용하여 처음으로 다이아몬드 결정을 합성했습니다. 1980년대에 전 세계적으로 CVD 다이아몬드에 대한 연구 붐이 일면서 열 필라멘트법(HFCVD), 마이크로파 플라즈마(MPCVD), 직류 아크 플라즈마 제트 CVD 등 다양한 제조 방법이 개발되어 이후 응용 분야의 토대가 마련되었습니다.

높은 경도는 다이아몬드의 여러 특성 중 하나입니다. 다이아몬드의 매우 높은 경도를 이용하여 다양한 공구로 가공할 수 있어 석재, 비철금속, 가공하기 어려운 복합재료(탄소섬유 복합재 등) 등의 가공에 대체 불가능한 역할을 하며 효율적이고 고정밀하며 환경 친화적인 가공을 실현할 수 있습니다.

다이아몬드를 대량으로 사용하는 과정에서 사람들은 다이아몬드의 단점도 관찰했습니다. 가장 두드러진 점 중 하나는 많은 강철과 소결 탄화 규소를 연마하는 등 다이아몬드로 일부 단단한 재료를 가공 할 때 다이아몬드의 표면 온도가 1500 ~ 2000 ℃까지 올라가고이 상태에서 다이아몬드의 강도가 급격히 감소하고 공기 중의 산소와 길항하여 유사한 "굽기"현상을 일으키기 매우 쉽다는 것입니다. 동시에 다이아몬드 자체는 연삭에 쓸모없는 부드러운 흑연으로 지속적으로 감소하여 다이아몬드의 매우 빠른 손실로 이어집니다. 사람들의 지속적인 탐구 끝에 다이아몬드의 단점을 보완하기 위해 새로운 유형의 초경질 질화 붕소 결정, 질화 붕소의 입방 구조 인 CBN을 합성하여 결정 구조가 다이아몬드와 유사하고 경도가 다이아몬드보다 약간 낮지 만 열 안정성이 금강보다 훨씬 높으며 철 금속 원소는 화학적 안정성이 더 높습니다. 입방정 질화 붕소 연마재의 연삭 성능이 우수하여 연삭하기 어려운 재료를 가공하고 생산성을 향상시킬 수있을뿐만 아니라 화학적으로 불활성이있어 공작물의 연삭 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 둘 다 고유한 강점이 있으며 실제 적용은 상황에 따라 다릅니다.

압전 결정 재료

결정에 외부 힘이 가해지면 결정은 양극화되어 표면 전하를 형성하는데, 이를 양의 압전 효과라고 하며 반대로 결정에 전기장이 가해지면 결정이 변형되는데, 이를 역의 압전 효과라고 합니다. 압전 효과가 있는 결정을 압전 결정이라고 하며, 대칭 중심이 없는 결정에만 존재합니다. 최초로 발견된 압전 결정은 공진기, 필터, 변환기, 광학 편향기, 음표면파 장치 및 다양한 열, 가스, 감광 및 화학 감응 장치를 만드는 데 이상적인 압전 재료인 결정(α-SiO2)으로 주파수 안정성이라는 특성을 가지고 있습니다. 또한 쿼츠 시계, 전자 시계, 컬러 TV 세트, 스테레오 라디오, 테이프 레코더 등 사람들의 일상 생활에서도 널리 사용됩니다.

최근에는 칼코게나이드형 구조의 리튬 니오베이트(LiNbO3) 및 칼륨 니오베이트(KNbO3)와 같은 새로운 압전 결정이 많이 개발되었습니다. 이러한 결정의 압전 효과를 이용하여 혈압계, 압전 키보드, 지연선, 발진기, 초음파 변환기, 압전 변압기 등 군사 및 민간 산업에서 널리 사용되는 다양한 장치를 만들 수 있습니다.

절연 결정

절연 웨이퍼의 대표적인 예는 운모 웨이퍼입니다. 운모는 절연성, 투명성, 내열성, 내식성, 벗겨지기 쉽고 탄성 등이 있는 층상 규산염 광물을 통칭하는 용어입니다. 전동기, 전기제품, 전자제품, 라디오, 가전제품 등에 널리 사용되며 국가 경제와 국방 건설에 중요한 역할을 합니다. 천연 운모에는 여러 종류가 있지만 산업에서 주로 사용되는 것은 백운모이고 그다음은 금운모입니다.

합성 운모는 순도, 투명성, 고온 저항성, 내식성, 전기 절연성 등의 특성이 우수하여 합성 운모 단결정 시트는 다음과 같은 용도로 사용할 수 있습니다:

가스 페달, 이온화 챔버, 마그네트론 및 전자 튜브와 같은 다양한 진공 장치의 절연 프레임;

마이크로파 튜브 출력 창, 고온로 관찰 창, 산 및 알칼리 저항 창과 같은 창 재료;

화력 발전소의 고압 보일러 수위계;

고온 저항 커패시터, 백금 와이어 표면 온도계 골격 등.

결론

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈는 다양한 응용 기기에 사용되는 기능성 결정 소재를 생산하고 있습니다. 기능성 결정 재료에는 주로 자기 광학 결정 TGG 테르븀 갈륨 가넷, TSAG, 압전 결정 LT(LiTaO3) 탄탈산 리튬, LN(LiNbO3) 니오에이트 리튬, LGS 란탄산 갈륨 규산염, 신틸레이션 결정 Ce가 포함됩니다: LUAG, Ce: GAGG; 레이저 결정 Nd: YAG 및 단결정 에피택셜 기판 결정 GGG, SGGG, 란탄 알루미네이트 LaAlO3 등.

결정 재료는 전기 및 광학 조정 Q 스위치, 광절연기, 광학 회전기 등과 같은 장치에 널리 사용됩니다. 패러데이 자유 공간 아이솔레이터 및 광섬유 아이솔레이터를 포함한 광 아이솔레이터는 파장 450nm에서 1100nm까지 다양합니다.