Materie & Energie

Kristall - Wachstum aus der Schmelze

Wachstum aus dem Schmelze

Diese Methode ist die grundlegendste. Ein Gas wird gekühlt , bis es eine wird Flüssigkeit , die dann weiter abgekühlt wird , bis sie einen wird fester .Polykristalline Feststoffe werden typischerweise durch dieses Verfahren hergestellt, sofern keine speziellen Techniken angewendet werden. In jedem Fall ist dieDie Temperatur muss sorgfältig kontrolliert werden. Mit einer populären Methode, die der polnische Wissenschaftler 1918 erfunden hat, können aus den flüssigen Elementen schnell große Kristalle gezüchtet werdenJan Czochralski und nannte Kristallziehen. Man bringt einen Impfkristall so am Boden eines vertikalen Arms an, dass der Keim kaum Kontakt mit dem Material an der Oberfläche der Schmelze hat. Eine moderne Czochralski-Vorrichtung ist in Fig. 7A gezeigt . Der Arm wird langsam angehoben und ein Kristall wächst darunter an der Grenzfläche zwischen dem Kristall und der Schmelze. Normalerweise wird der Kristall langsam gedreht, so dass Inhomogenitäten in der Flüssigkeit nicht im Kristall repliziert werden. Auf diese Weise werden Siliziumkristalle mit großem Durchmesser zur Verwendung als gezüchtetComputerchips . Basierend auf Messungen des Gewichts des Kristalls während des Ziehvorgangs können computergesteuerte Vorrichtungen die Ziehgeschwindigkeit variieren, um jeden gewünschten Durchmesser zu erzeugen. Das Ziehen von Kristallen ist der kostengünstigste Weg, um große Mengen an reinem Kristall zu züchten. Eine Fotografie eines Einkristalls aus rostfreiem Stahl , der nach der Czochralski-Methode gezüchtet wurde, ist in 7B gezeigt . Der ursprüngliche Samen befindet sich an der rechten Spitze. Es können auch binäre Kristalle gezogen werden. Zum Beispiel synthetischer SaphirKristalle können aus geschmolzenem Aluminiumoxid gezogen werden. Besondere Sorgfalt ist erforderlich, um binäre und andere Mehrkomponentenkristalle zu züchten. Die Temperatur muss genau geregelt werden, da solche Kristalle nur bei einer einzigen extrem hohen Temperatur gezüchtet werden dürfen. Die Schmelze neigt dazu, inhomogen zu sein, da die beiden Flüssigkeiten versuchen können, sich durch die Schwerkraft zu trennen.

Das Die Bridgman-Methode (benannt nach dem amerikanischen Wissenschaftler Percy Williams Bridgman) wird auch häufig zum Züchten großer Einkristalle verwendet. Das geschmolzene Material wird in a gegebenTiegel , oft aus Kieselsäure, der eine zylindrische Form mit einem konischen unteren Ende hat. Heizungen behalten den geschmolzenen Zustand bei. Wie der Tiegelwird langsam in einen kühleren Bereich abgesenkt, beginnt ein Kristall in der konischen Spitze zu wachsen. Der Tiegel wird mit einer Geschwindigkeit abgesenkt, die dem Wachstum des Kristalls entspricht, so dass die Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze immer die gleiche Temperatur aufweist. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Tiegels hängt von der Temperatur und dem Material ab. Bei erfolgreicher Durchführung wächst das gesamte geschmolzene Material im Tiegel zu einem einzigen großen Kristall. Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass überschüssige Verunreinigungen während des Wachstums aus dem Kristall herausgedrückt werden. Eine Schicht von Verunreinigungen wächst an der Grenzfläche zwischen Schmelze und Feststoff, wenn diese Oberfläche die Schmelze hinaufbewegt, und die Verunreinigungen konzentrieren sich im oberen Teil des Kristalls.

Epitaxie ist die Technik, einen Kristall Schicht für Schicht auf der atomar flachen Oberfläche eines anderen Kristalls zu züchten. ImHomoepitaxie Ein Kristall wird auf einem Substrat aus demselben Material gezüchtet. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Computerchips Siliziumschichten mit unterschiedlichem Verunreinigungsgehalt auf Siliziumsubstraten gezüchtet.Heteroepitaxie ist andererseits das Wachstum eines Kristalls auf dem Substrat eines anderen. Siliziumsubstrate werden häufig verwendet, da sie in atomar glatter Form leicht verfügbar sind. Viele verschiedeneHalbleiterkristalle können auf Silizium wie Galliumarsenid, Germanium, Cadmiumtellurid (CdTe) und Bleitellurid (PbTe) gezüchtet werden. Für die Epitaxie kann jedoch jedes flache Substrat verwendet werden, und Isolatoren wie Steinsalz (NaCl) und Magnesiumoxid (MgO) werden ebenfalls verwendet.

Die Molekularstrahlepitaxie , allgemein als MBE abgekürzt, ist eine Form des Dampfwachstums. Das Feld begann, als der amerikanische Wissenschaftler John Read Arthur 1968 berichtete, dass Galliumarsenid gezüchtet werden könne, indem ein Strahl aus Galliumatomen und Arsenmolekülen auf die flache Oberfläche eines Molekülkristalls gerichtet werde . Die Menge an Gasmolekülen kann so gesteuert werden, dass nur eine Schicht oder nur zwei oder eine beliebige Menge wachsen. Diese Methode ist langsam, da Molekularstrahlen eine geringe Dichte von Atomen aufweisen.Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine andere Form der Epitaxie, bei der die Dampfwachstumstechnik zum Einsatz kommt. Es ist auch als Dampfphasenepitaxie (VPE) bekannt und viel schneller als MBE, da die Atome eher in einem strömenden Gas als in einem Molekularstrahl abgegeben werden .Synthetische Diamanten werden durch CVD gezüchtet. Schnelles Wachstum tritt auf, wennMethan (CH 4 ) wird mit Atom gemischtWasserstoffgas , das als Katalysator dient . Methan dissoziiert auf einer erhitzten Diamantoberfläche . Der Kohlenstoff bleibt an der Oberfläche und der Wasserstoff verlässt als Molekül. Die Wachstumsraten betragen mehrere Mikrometer (1 Mikrometer entspricht 0,00004 Zoll) pro Stunde. Bei dieser Geschwindigkeit wird in 18 Wochen ein Stein mit einer Dicke von 1 cm (0,4 Zoll) gezüchtet. CVD-Diamanten sind als Edelsteine ​​von schlechter Qualität, aber wichtige elektronische Materialien. Da Wasserstoff in der Natur eher als Molekül als als einzelnes Atom vorkommt , ist die Herstellung von atomarem Wasserstoffgas der Hauptaufwand für das Wachstum von CVD-Diamanten.Die Flüssigphasenepitaxie (LPE) verwendet die Lösungsmethode , um Kristalle auf einem Substrat zu züchten. Das Substrat wird in eine Lösung mit einer gesättigten Konzentration an gelöstem Stoff gegeben. Diese Technik wird verwendet, um viele Kristalle zu züchten, die in modernen elektronischen und optoelektronischen Bauelementen wie Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid und Galliumphosphid verwendet werden.

Ein wichtiges Anliegen bei einer erfolgreichen Epitaxie ist das Matching Gitterabstände . Wenn der Abstand zwischen Atomen im Substrat nahe dem des oberen Kristalls liegt, wächst dieser Kristall gut. Ein kleiner Unterschied in der Gitterentfernung kann berücksichtigt werden, wenn der obere Kristall wächst. Wenn die Gitterabstände jedoch unterschiedlich sind, verformt sich der obere Kristall, da strukturelle Defekte wie Versetzungen auftreten (siehe Abbildung 5 ). Obwohl nur wenige Kristalle den gleichen Gitterabstand haben, sind einige Beispiele bekannt.Aluminiumarsenid und Galliumarsenid weist die gleiche Kristallstruktur und die gleichen Gitterparameter innerhalb von 0,1 Prozent; sie wachsen ausgezeichnete Kristalle aufeinander. Solche Materialien, bekannt alsÜbergitter haben eine wiederholte Struktur von n Schichten aus GaAs, m Schichten aus AlAs, n Schichten aus GaAs, m Schichten aus AlAs und so weiter. Übergitter stellen künstlich erzeugte Strukturen dar, die thermodynamisch stabil sind; Sie haben viele Anwendungen in der modernen Elektronikindustrie. Ein weiteres gitterangepasstes Epitaxiesystem istQuecksilbertellurid (HgTe) und Cadmiumtellurid (CdTe). Diese beiden Halbleiter bilden eine kontinuierliche Halbleiterlegierung Cd x Hg 1 - x Te, wobei x eine beliebige Zahl zwischen 0 und 1 ist. Diese Legierung wird als Detektor für Infrarotstrahlung verwendet und ist insbesondere in Nachtsichtbrillen enthalten.

Dendritisches Wachstum

Bei langsamen Kristallwachstumsraten bleibt die Grenzfläche zwischen Schmelze und Feststoff planar, und das Wachstum erfolgt gleichmäßig über die Oberfläche. Bei schnelleren Kristallwachstumsraten treten mit größerer Wahrscheinlichkeit Instabilitäten auf. Dies führt zu dendritischem Wachstum. Durch die Verfestigung wird an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Schmelze überschüssige Energie in Form von Wärme freigesetzt. Bei langsamen Wachstumsraten verlässt die Wärme die Oberfläche durch Diffusion . Schnelles Wachstum erzeugt mehr Wärme, die durch Konvektion (Flüssigkeitsstrom) abgeführt wird, wenn die Diffusion zu langsam ist. Die Konvektion bricht die planare Symmetrieso dass sich das Kristallwachstum eher entlang von Säulen oder „Fingern“ als entlang von Ebenen entwickelt. Jeder Kristall hat bestimmte Richtungen, in denen das Wachstum am schnellsten ist, und Dendriten wachsen in diese Richtungen. Wenn die Säulen größer werden, werden ihre Oberflächen flacher und instabiler. Diese Feder- oder Baumstruktur ist charakteristisch für dendritisches Wachstum. Schneeflocken sind ein Beispiel für Kristalle, die aus dendritischem Wachstum resultieren.