Во науката за материјали, монокристал (или монокристално цврсто тело) е материјал во кој кристалната решетка на целиот примерок е постојана и непрекината до рабовите на примерокот, без зрнаста граница. Отсуството на дефекти поврзани со границите на зрната може да им даде на монокристалите уникатни својства, особено механички, оптички и електрични, кои исто така можат да бидат анизотропни, во зависност од видот на кристалографската структура. Овие својства, покрај тоа што ги прават некои скапоцени камења скапоцени, се употребуваат индустриски во технолошки потреби, особено во оптиката и електрониката.
Бидејќи ентропските ефекти фаворизираат присуство на некои несовршености во микроструктурата на цврстите тела, како што се примеси, нехомогена напнатост и кристалографски дефекти како што се дислокации, совршените монокристали со значајна големина се исклучително ретки по природа. Потребните лабораториски услови често ги зголемуваат трошоците за производство. Од друга страна, несовршените монокристали можат да достигнат огромни големини во природата: познато е дека неколку минерални видови како што се берил, гипс и момироци произвеле кристали со пречник од неколку метри.
Спротивноста на монокристалот е аморфна структура каде што атомската местоположба е ограничена само на краток ред. Помеѓу двете крајности постои поликристален, кој е составен од голем број помали кристали познати како кристалити, и паракристални фази. Монокристалите обично имаат карактеристични рамнински површини и одредена симетрија, каде што аглите меѓу површините ќе ја диктираат нивната идеална форма. Скапоцените камења често се монокристали вештачки исечени по кристалографските рамнини за да се искористат прекршувачките и рефлектирачките својства.
Методи на производство Иако денешните методи се исклучително софистицирани со современа технологија, потеклото на растот на кристалите може да се проследи до прочистувањето на солта со кристализација во 2500 година п.н.е. Понапреден метод со употреба на воден раствор започнал во 1600 година од нашата ера, додека методите со топење и пареа започнале околу 1850 година од нашата ера. мини|329x329пкс|Дрвен дијаграм на методи за раст на еден кристал Основните методи за раст на кристали можат да се поделат во четири категории врз основа на тоа од што се вештачки одгледувани: стопена, цврста, пареа и растворна. Специфичните техники за производство на големи монокристали (познати како були) вклучуваат Чохралски процес (CZ), лебдечка зона (или движење на зоната) и Бриџманова техника. Д-р Тил и д-р Литл од лабораториите „Бел Телефон“ биле првите што го користеле Чохралски методот за да создадат монокристали од Ge и Si.Teal, G.K. and Little, J.B. (1950) "Growth of germanium single crystals," Phys. Rev. 78, 647. Teal and Little of Bell Telephone Laboratories were the first to produce single crystals of Ge and Si by the Cz method. Cited in Може да се користат и други методи на кристализација, во зависност од физичките својства на супстанцијата, вклучувајќи хидротермална синтеза, сублимација или едноставно кристализација базирана на растворувач. На пример, модифициран Киропулосов процес може да се користи за одгледување висококвалитетни 300 кг монокристали од сафир. Вернеовиот метод, исто така наречен метод на пламенско топење, се користел во раните 1900-ти за производство на рубини пред CZ. Дијаграмот од десно ги прикажува повеќето конвенционални методи. Имало нови откритија како што се хемиските гасово таложење (CVD), заедно со различни варијации и измени на постојните методи. Тие не се прикажани на дијаграмот. мини|Еднокристална кварцна плочка одгледувана со хидротермален метод Во случај на метални монокристали, техниките на изработка вклучуваат и епитаксија и абнормален раст на зрна во цврсти материи. Епитаксијата се употребува за таложење на многу тенки (од микрометар до нанометарска скала) слоеви од ист или различен материјал на површината на постоечки монокристал. Примените на оваа техника се наоѓаат во областите на производство на полупроводници, со потенцијални употреби во други нанотехнолошки области и катализа.
Исклучително е тешко да се одгледуваат монокристали од полимери. Тоа е главно поради тоа што полимерните ланци се со различна должина и поради различните ентрописки причини. Сепак, топохемиските реакции се еден од најлесните методи за добивање монокристали од полимерот.
Употреба
Полупроводничка индустрија Еден од најчесто употребуваните монокристали е оној на силициум во полупроводничката индустрија. Четирите главни методи на производство на полупроводнички монокристали се од метални раствори: течна фазна епитаксија (ТФЕ), течна фазна електроепитаксија (ТФЕЕ), метод на патувачки грејач (МПГ) и течна фазна дифузија (ТФД). Сепак, постојат многу други монокристали покрај неорганските монокристали способни за полуспроводливост, вклучувајќи монокристални органски полупроводници. мини|Висока чистота (99,999 %) монокристал од тантал, направен со процесот на лебдечка зона, неколку монокристални фрагменти од тантал и коцка од тантал со висока чистота (99,99% = 4N) 1 cm3 за споредба. Монокристалниот силициум кој се потребува во производството на полупроводници и фотоволтаици е најголемата употреба на монокристалната технологија денес. Кај фотоволтаиците, најефикасната кристална структура ќе даде највисока конверзија на светлина во електрична енергија. На квантната скала на која работат микропроцесорите, присуството на зрнови граници би имало значително влијание врз функционалноста на транзисторите со ефект на поле со менување на локалните електрични својства. Затоа, производителите на микропроцесори инвестирале многу во објекти за производство на големи монокристали на силициум. Чохралскиот метод и лебдечката зона се популарни методи за раст на силициумски кристали. мини|Флуоресценција на монокристал (9H-карбазол-9-ил)(4-хлорофенил)метанон. Други неоргански полупроводнички монокристали вклучуваат GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe и ZnTe. Поголемиот дел од нив можат да се подесат и со разни допингувања за посакуваните својства. Монокристалниот графен е исто така многу посакуван за употреба во електрониката и оптоелектрониката со неговата голема електронска мобилност и висока топлинска спроводливост, и останува тема на жестоко истражување. Еден од главните предизвици е одгледувањето униформни монокристали од двослоен или повеќеслоен графен на големи површини; епитаксијалниот раст и новиот CVD (споменат погоре) се меѓу новите ветувачки методи кои се истражуваат.
Органските полупроводнички монокристали се разликуваат од неорганските кристали. Слабите меѓумолекуларни врски значат пониски температури на топење и повисок притисок на пареа и поголема растворливост. За раст на монокристалите е клучна чистотата на материјалот, а производството на органски материјали обично бара многу чекори за да се постигне потребната чистота. Се спроведуваат голем број на истражувања за да се бараат материјали кои се термички стабилни со висока подвижност на носителите на полнеж. Минатите откритија вклучуваат нафталин, тетрацен и 9,10-дифенилантацен (DPA). Дериватите на трифениламин покажале ветување, а неодамна во 2021 година, монокристалната структура на α-фенил-4′-(дифениламино)стилбен (TPA) одгледувана со метод на раствор покажала уште поголем потенцијал за употреба на полупроводници со неговото анизотропно својство на транспорт на дупки.
Оптичка примена мини|182x182пкс|Огромен KDP, калиум дихидроген фосфат, кристал одгледан од почетен кристал во презаситен воден раствор во Ливерморската национална лабораторија, кој треба да се исече на парчиња и да се користи во Националниот погон за палење Монокристалите имаат уникатни физички својства поради тоа што се едно зрно со молекули во строг редослед и без граници на зрната. Ова ги вклучува оптичките својства, а монокристалите на силициум се користат и како оптички прозорци поради нивната проѕирност на специфични инфрацрвени (IR) бранови должини, што ги прави многу употребливи за некои инструменти.
Сафири: исто така познати како алфа фаза на алуминиум оксид (Al2O3) за научниците, монокристалите на сафирот се широко употребувани во високотехнолошкиот инженеринг. Може да се одгледува од гасовити, цврсти или растворени фази. Пречникот на кристалите што произлегуваат од методот на раст е важен кога се разгледуваат по електронските употреби. Тие се користат за ласери и нелинеарна оптика. Некои значајни употреби се како во прозорецот на биометрискиот читач на отпечатоци од прсти, оптички дискови за долгорочно складирање на податоци и интерферометар на Х-зраци.
Индиум фосфид: овие монокристали се особено соодветни за комбинирање на оптоелектроника со електроника со голема брзина во форма на оптичко влакно со неговите супстрати со голем пречник. Други фотонски уреди вклучуваат ласери, фотодетектори, фотодиоди за лавина, оптички модулатори и засилувачи, обработка на сигнали и оптоелектронски и фотонски интегрирани кола. мини|Кристали од алуминиум оксид Германиум: станал првиот материјал во првиот транзистор измислен од Бардин, Братејн и Шокли во 1947 година. Се употребува во некои детектори за гама-зраци и инфрацрвена оптика. Денес станал фокус на ултрабрзи електронски уреди поради неговата внатрешна мобилност на носителите.
Арсенид: арсенид III може да се комбинира со разни елементи како што се B, Al, Ga и In, при што соединението GaAs е многу барано за производство на плочки.
Кадмиум телурид: Кристалите од CdTe имаат неколку примени како супстрати за инфрацрвено снимање, електрооптички уреди и сончеви ќелии. Со легирање на CdTe и ZnTe заедно, може да се направат детектори за рендгенски и гама-зраци на собна температура.
Електрични спроводници Металите можат да се произведат во монокристална форма и да станал средство за разбирање на крајните перформанси на металните спроводници. Тоа е од витално значење за разбирање на основните науки како што се каталитичката хемија, површинската физика, електроните и монохроматорите. Производството на метални монокристали има највисоки барања за квалитет и се одгледуваат, или се влечат, во форма на прачки. Одредени компании можат да произведуваат специфични геометрии, жлебови, дупки и референтни површини заедно со различни пречници.
Од сите метални елементи, среброто и бакарот имаат најдобра спроводливост на собна температура. Големината на пазарот и варијациите во понудата и цената, обезбедиле силни стимулации за барање алтернативи или наоѓање начини за нивно помалку користење преку подобрување на перформансите.
Спроводливоста на комерцијалните спроводници често се изразува во однос на Меѓународен стандард за жарено бакарно масло, според кој најчистата бакарна жица достапна во 1914 година изнесувала околу 100%. Најчистата современа бакарна жица е подобар спроводник, со мерење од над 103% на оваа скала. Добивките се од два извори. Прво, модерниот бакар е почист. Сепак, овој пат за подобрување се смета дека е завршен. Почистувањето на бакарот сè уште не носи значително подобрување. Второ, жарењето и другите процеси се подобрени. Жарењето ги намалува дислокациите и другите кристални дефекти кои се извори на отпор. Но, добиените жици се сè уште поликристални. Границите на зрната и преостанатите кристални дефекти се одговорни за одреден преостанат отпор. Ова може да се квантифицира и подобро да се разбере со испитување на монокристали.
Еднокристалниот бакар се покажал дека има подобра спроводливост од поликристалниот бакар. +Електричен отпор ρ за материјали од сребро (Ag) / бакар (Cu) на собна температура (293 K) Материјал ρ (μΩ∙cm) ИАКС Еднокристален Ag, допиран со 3 mol% Cu 1,35 127% Еднокристален Cu, дополнително обработен 1.472 117,1% Еднокристален Ag 1,49 115,4% Еднокристален Cu 1,52 113,4% Ag жица со висока чистота (поликристална) 1,59 108% Cu жица со висока чистота (поликристална) 1,67 ˃ 103%