La guía definitiva de los materiales de cristal

Los cristales pueden realizar la interacción y conversión de electricidad, magnetismo, luz, sonido y fuerza, etc. Es un material indispensable e importante en el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas.

Especialmente debido al rápido desarrollo de la microelectrónica de estado sólido, existe una mayor necesidad de una gran variedad de materiales cristalinos, incluidos cristales semiconductores, cristales láser, cristales de centelleo, cristales ópticos, cristales superduros, cristales aislantes, cristales piezoeléctricos, etc. Los materiales cristalinos están a la vanguardia del desarrollo de la ciencia de los materiales, estrechamente relacionados con nuevas tecnologías como el espacio, la electrónica, el láser, el desarrollo de nuevas energías y la biomedicina. Los tipos de materiales cristalinos y sus aplicaciones son extremadamente amplios.

En este artículo, presentaremos brevemente algunos materiales cristalinos comunes y sus aplicaciones.

Cristales semiconductores

Los cristales semiconductores son el principal material básico de la industria de los semiconductores. Ocupa la primera posición entre los materiales cristalinos en cuanto a su amplia aplicación e importancia.

El cristal semiconductor se desarrolló en la década de 1950, la primera generación de materiales semiconductores representativos: el cristal único de germanio (Ge) y el cristal único de silicio (Si), hechos de ellos una variedad de diodos, transistores, tubos de efecto de campo, controladores de silicio y tubos de alta potencia y otros dispositivos, de modo que el circuito integrado de sólo una docena de unidades de circuito de rápido desarrollo a contener miles de componentes del circuito integrado de ultra-gran escala, desencadenó el circuito integrado ( IC) como el núcleo del rápido desarrollo del campo de la microelectrónica, mejorando en gran medida la fiabilidad del trabajo de los circuitos integrados al tiempo que reduce los costes. A su vez, ha promovido la amplia aplicación de los CI en la investigación espacial, las armas nucleares, los misiles, los radares, los ordenadores electrónicos, los equipos de comunicaciones militares y las aplicaciones civiles.

Los materiales semiconductores de segunda generación son semiconductores compuestos, principalmente arseniuro de galio (GaAs), antimonuro de indio (InSb) y fosfuro de indio (InP), que se utilizan principalmente para fabricar dispositivos electrónicos de alta frecuencia, alta velocidad y alta potencia, y se utilizan ampliamente en los campos de las comunicaciones por satélite, las comunicaciones móviles y las comunicaciones ópticas. El GaAs, el InP y otros materiales compuestos son escasos, necesitan formarse por síntesis, su precio es relativamente alto y son más nocivos para el medio ambiente, por lo que su uso es difícil y cada vez más limitado, y han sido sustituidos gradualmente por la tercera generación de materiales semiconductores.

Los materiales semiconductores de tercera generación son principalmente materiales semiconductores de banda ancha representados por el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN), el óxido de zinc (ZnO), el diamante y el nitruro de aluminio (AlN). En comparación con los materiales semiconductores de primera y segunda generación, los materiales semiconductores de tercera generación tienen un ancho de banda amplio, un alto campo eléctrico de ruptura, una alta conductividad térmica, una alta tasa de saturación de electrones y una mayor resistencia a la radiación, por lo que son más adecuados para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, resistencia a la radiación y alta potencia, y suelen denominarse materiales semiconductores de banda ancha (ancho de banda superior a 2,2ev), también conocidos como materiales semiconductores de alta temperatura.

Cristales ópticos

Los cristales ópticos se utilizan como componentes ópticos de los cristales, tales como fluoruro de cristal de haluro de litio, fluoruro de calcio, fluoruro de magnesio, fluoruro de bario, tienen buenas características de transmisión en el ultravioleta y el infrarrojo, por lo que se pueden utilizar como láser excimer ultravioleta y algunas ventanas de salida de láser infrarrojo, lentes, prismas, rotores, hojas de onda, etc.Óxidos tales como zafiro Al2O3, vanadato de itrio YVO4, cristal, etc. también se pueden utilizar como el trabajo de los láseres anteriores Óxidos tales como zafiro Al2O3, vanadato de itrio YVO4, cristal, etc. también se pueden utilizar como ventana de salida, lente, prisma, etc. de los láseres anteriores.

Cristal láser

El láser es una "sustancia" maravillosa, es otro gran descubrimiento de la humanidad después de la energía atómica, los ordenadores y los semiconductores. Como todos sabemos, el brillo del láser es tan alto que puede alcanzar mil millones de veces el brillo del sol o incluso más; el láser es puro y monocromático; el láser tiene una colimación incomparable (propagación en línea recta); y, el láser tiene una energía poderosa, y el estallido instantáneo de energía puede penetrar y fundir incluso los objetos más duros. Por lo tanto, los láseres se utilizan ampliamente en la producción, la vida y la investigación, y son una poderosa herramienta para que las personas exploren la naturaleza.

El dispositivo que genera la luz láser se denomina láser. Entre los distintos láseres disponibles en la actualidad, los de estado sólido son los más prometedores. El cristal láser (lasercristal), un material cristalino que convierte la energía proporcionada por el mundo exterior en un láser altamente paralelo y monocromático que es coherente en el espacio y el tiempo a través de una cavidad ópticamente resonante, es la sustancia de trabajo de los láseres de cristal y es el material de soporte básico para la tecnología y la industria del láser de estado sólido. Entre los materiales de cristal láser más comunes se incluyen Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, cristal de gema de titanio, cristal de rubí, etc.

Cristal de centelleo

Bajo el impacto de partículas de alta energía, el cristal que puede cambiar la energía cinética de las partículas de alta energía en energía luminosa y emitir fluorescencia se llama cristal de centelleo. El cristal de centelleo puede utilizarse para la detección de rayos X, rayos gamma, neutrones y otras partículas de alta energía. La tecnología de detección e imagen con el cristal de centelleo como núcleo se ha utilizado ampliamente en medicina nuclear, física de alta energía, inspección de seguridad, detección industrial no destructiva de defectos, física espacial y prospección nuclear, etc. Por lo general, los materiales de cristal de centelleo aplicados se cultivan mediante métodos artificiales, y existen muchos tipos. Actualmente, los cristales de centelleo más utilizados son BGO (abreviatura del nombre general del compuesto del sistema Bi2O3-GeO2 germanato de bismuto), CsI (yoduro de cesio), PbWO4 (tungstato de plomo), etc.

Cristales superduros

El diamante, también llamado "diamante", es un mineral natural y el material más duro de la naturaleza. Es un cristal único compuesto de elementos de carbono que se forma a alta presión y alta temperatura en las profundidades de la tierra durante un largo periodo de tiempo. Los diamantes que se pueden encontrar y extraer en la naturaleza son extremadamente raros, por lo general sólo se puede obtener un total de 1 quilate de diamantes finamente triturados por cada 4 metros cúbicos de mineral rico, y los diamantes de gran tamaño que son cristalinos y sin defectos son aún más raros.

Desde la década de 1950, se han investigado y desarrollado diversos métodos para sintetizar diamantes artificialmente, principalmente alta temperatura y alta presión (HTHP), deposición química de vapor (CVD), método de chorro, etc. En 1955, GE utilizó por primera vez la HTHP para sintetizar cristales de diamante. En la década de 1980, el mundo lanzó un boom de investigación sobre el diamante CVD, y se desarrollaron varios métodos de preparación, como el método de filamento caliente (HFCVD), el plasma de microondas (MPCVD) y el CVD por chorro de plasma de arco CC, que sentaron las bases para las aplicaciones posteriores.

La elevada dureza es una de las muchas características del diamante. Utilizando la dureza extremadamente alta del diamante, se puede preparar en diversas herramientas, que desempeñan un papel insustituible en el procesamiento de piedra, metales no ferrosos, materiales compuestos difíciles de mecanizar (como los compuestos de fibra de carbono), etc., y pueden lograr un procesamiento eficiente, de alta precisión y respetuoso con el medio ambiente.

En el proceso de utilización del diamante en grandes cantidades, también se han observado sus deficiencias. Uno de los puntos más destacados es que, al procesar algunos materiales duros con diamante, como moler un gran número de acero y carburo de silicio sinterizado, la temperatura superficial del diamante hasta 1500 ~ 2000 ℃, en estas condiciones, la resistencia del diamante disminuye rápidamente, y muy fácil con el oxígeno en el aire antagónico para producir similar "quemar" fenómeno. Al mismo tiempo, el propio diamante se reduce continuamente a grafito blando que es inútil para la molienda, lo que conduce a una pérdida muy rápida la del diamante. Después de la exploración continua de la gente, un nuevo tipo de material superduro de cristal de nitruro de boro cúbico se sintetizó para compensar la desventaja de diamante, estructura cúbica de nitruro de boro - CBN, su estructura cristalina es similar al diamante, la dureza es ligeramente inferior a la de diamante, pero la estabilidad térmica es mucho mayor que el acero de oro, los elementos metálicos de hierro tienen una mayor estabilidad química. El rendimiento de rectificado de los abrasivos de nitruro de boro cúbico es excelente, lo que no sólo es capaz de mecanizar materiales difíciles de rectificar y mejorar la productividad, sino también químicamente inerte, lo que puede mejorar eficazmente la calidad de rectificado de las piezas de trabajo. Ambos tienen sus propios puntos fuertes, y la aplicación real depende de la ocasión.

Material de cristal piezoeléctrico

Cuando un cristal se somete a una fuerza externa, el cristal se polarizará y formará una carga superficial, fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico positivo; a la inversa, cuando el cristal se somete a un campo eléctrico aplicado, el cristal se deformará, fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico inverso. Los cristales con efecto piezoeléctrico se denominan cristales piezoeléctricos, que sólo existen en cristales sin centro de simetría. El primer cristal piezoeléctrico descubierto es el cristal (α-SiO2), que tiene la propiedad de la estabilidad de frecuencia y es un material piezoeléctrico ideal para fabricar resonadores, filtros, transductores, deflectores ópticos, dispositivos de ondas superficiales de sonido y diversos dispositivos térmicos, de gas, fotosensibles y quimiosensibles. También se utiliza ampliamente en la vida cotidiana de las personas, como relojes de cuarzo, relojes electrónicos, televisores en color, radios estéreo y grabadoras.

En los últimos años, se han desarrollado muchos cristales piezoeléctricos nuevos, como el niobato de litio (LiNbO3) y el niobato de potasio (KNbO3) de estructuras de tipo calcogenuro. Utilizando el efecto piezoeléctrico de estos cristales se pueden fabricar diversos dispositivos, ampliamente utilizados en la industria militar y civil, como medidores de presión sanguínea, teclados piezoeléctricos, líneas de retardo, osciladores, transductores ultrasónicos, transformadores piezoeléctricos, etc.

Cristales aislados

Un ejemplo típico de oblea aislante es la oblea de mica. La mica es un término general para los minerales de silicato en capas, que son aislantes, transparentes, resistentes al calor, a la corrosión, fáciles de pelar y elásticos, etc. Se utilizan ampliamente en motores eléctricos, electrodomésticos, electrónica, radio y aparatos domésticos, y desempeñan un papel importante en la economía nacional y en la construcción de la defensa nacional. Aunque hay muchos tipos de mica natural, la principal utilizada en la industria es la mica blanca, seguida de la mica dorada.

Dado que la mica sintética tiene excelentes características de pureza, transparencia, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y aislamiento eléctrico, la lámina monocristalina de mica sintética puede utilizarse para:

① marco aislante en diversos dispositivos de vacío, como pedal de gas, cámara de ionización, magnetrón y tubo de electrones;

② material de ventana, como ventana de salida de tubos de microondas, ventana de observación de hornos de alta temperatura y ventana resistente a ácidos y álcalis;

③ medidor de nivel de agua de caldera de alta presión en central térmica;

④ condensador resistente a altas temperaturas, esqueleto de termómetro de superficie de alambre de platino, etc.

Conclusión

Stanford Advanced Materials produce materiales de cristal funcional para muchos dispositivos de aplicación. Los materiales de cristal funcionales incluyen principalmente cristales magneto-ópticos TGG granate de terbio y galio, TSAG; cristales piezoeléctricos LT (LiTaO3) tantalato de litio, LN (LiNbO3) nioato de litio, LGS silicato de lantano y galio; cristales de centelleo Ce: LUAG, Ce: GAGG; cristal láser Nd: YAG y cristales de sustrato epitaxial monocristalino GGG, SGGG, aluminato de lantano LaAlO3, etc.

Los materiales de cristal se utilizan ampliamente en dispositivos como interruptores Q de ajuste eléctrico y óptico, aisladores ópticos, rotadores ópticos, etc. Los aisladores ópticos, incluidos los aisladores de espacio libre de Faraday y los aisladores de fibra, varían de una longitud de onda de 450 nm a 1100 nm.