Cristal único
Material con una red cristalina continua e ininterrumpida.
Cristalización
Fundamentos
Conceptos
Métodos y tecnología


En la ciencia de los materiales , un monocristal (o sólido monocristalino o sólido monocristalino ) es un material en el que la red cristalina de toda la muestra es continua e ininterrumpida hasta los bordes de la muestra, sin límites de grano . [1] La ausencia de los defectos asociados a los límites de grano puede dar a los monocristales propiedades únicas, particularmente mecánicas, ópticas y eléctricas, que también pueden ser anisotrópicas , dependiendo del tipo de estructura cristalográfica . [2] Estas propiedades, además de hacer preciosas algunas gemas, se utilizan industrialmente en aplicaciones tecnológicas, especialmente en óptica y electrónica. [3]

Debido a que los efectos entrópicos favorecen la presencia de algunas imperfecciones en la microestructura de los sólidos , como impurezas , deformaciones no homogéneas y defectos cristalográficos como dislocaciones , los monocristales perfectos de tamaño significativo son extremadamente raros en la naturaleza. [2] Las condiciones de laboratorio necesarias a menudo aumentan el costo de producción. Por otro lado, los monocristales imperfectos pueden alcanzar tamaños enormes en la naturaleza: se sabe que varias especies minerales como el berilo , el yeso y los feldespatos han producido cristales de varios metros de diámetro. [ cita requerida ]

El opuesto de un monocristal es una estructura amorfa donde la posición atómica está limitada solo a un orden de corto alcance. [4] Entre los dos extremos existen los policristalinos , que se componen de una serie de cristales más pequeños conocidos como cristalitos , y las fases paracristalinas . [5] Los monocristales generalmente tendrán caras planas distintivas y cierta simetría, donde los ángulos entre las caras dictarán su forma ideal. Las piedras preciosas son a menudo monocristales cortados artificialmente a lo largo de planos cristalográficos para aprovechar las propiedades refractivas y reflectantes. [5]

Métodos de producción

Aunque los métodos actuales son extremadamente sofisticados con la tecnología moderna, los orígenes del crecimiento de cristales se remontan a la purificación de la sal por cristalización en el año 2500 a. C. Un método más avanzado que utiliza una solución acuosa se inició en el año 1600 d. C., mientras que los métodos de fusión y vapor comenzaron alrededor de 1850 d. C. [6]

Diagrama de árbol de métodos de crecimiento de monocristales

Los métodos básicos de crecimiento de cristales se pueden separar en cuatro categorías según de qué se cultiven artificialmente: fundido, sólido, vapor y solución. [2] Las técnicas específicas para producir grandes cristales individuales (también conocidos como boules ) incluyen el proceso Czochralski (CZ) , la zona flotante (o movimiento de zona) y la técnica Bridgman . El Dr. Teal y el Dr. Little de Bell Telephone Laboratories fueron los primeros en utilizar el método Czochralski para crear cristales individuales de Ge y Si. [7] Se pueden utilizar otros métodos de cristalización, dependiendo de las propiedades físicas de la sustancia, incluida la síntesis hidrotermal , la sublimación o simplemente la cristalización basada en disolventes . [8] Por ejemplo, se puede utilizar un método Kyropoulos modificado para cultivar cristales individuales de zafiro de 300 kg de alta calidad. [9] El método Verneuil , también llamado método de fusión por llama, se utilizó a principios de la década de 1900 para fabricar rubíes antes de CZ. [6] El diagrama de la derecha ilustra la mayoría de los métodos convencionales. Se han producido nuevos avances, como la deposición química en fase de vapor (CVD), junto con diferentes variaciones y ajustes de los métodos existentes. Estos no se muestran en el diagrama.

Una barra de cuarzo monocristalina cultivada mediante el método hidrotermal.

En el caso de los monocristales metálicos, las técnicas de fabricación también incluyen la epitaxia y el crecimiento anormal de granos en sólidos. [10] La epitaxia se utiliza para depositar capas muy delgadas (escala micrométrica a nanométrica) del mismo material o de materiales diferentes sobre la superficie de un monocristal existente. [11] Las aplicaciones de esta técnica se encuentran en las áreas de producción de semiconductores, con usos potenciales en otros campos nanotecnológicos y en la catálisis. [12]

Es extremadamente difícil obtener monocristales de polímeros. Esto se debe principalmente a que las cadenas de polímeros tienen longitudes diferentes y a diversas razones de entropía. Sin embargo, las reacciones topoquímicas son uno de los métodos más sencillos para obtener monocristales de polímeros.[1]

Aplicaciones

Industria de semiconductores

Uno de los monocristales más utilizados es el de silicio en la industria de semiconductores. Los cuatro métodos principales de producción de monocristales semiconductores son a partir de soluciones metálicas: epitaxia en fase líquida (LPE), electroepitaxia en fase líquida (LPEE), el método del calentador viajero (THM) y la difusión en fase líquida (LPD). [13] Sin embargo, existen muchos otros monocristales además de los monocristales inorgánicos capaces de semiconductores, incluidos los semiconductores orgánicos monocristalinos .

Un monocristal de tantalio de alta pureza (99,999 %) , elaborado mediante el proceso de zona flotante , algunos fragmentos monocristalinos de tantalio y un cubo de tantalio de 1 cm3 de alta pureza (99,99 % = 4 N) para comparación. Esta foto fue tomada por Alchemist-hp.

El silicio monocristalino utilizado en la fabricación de semiconductores y sistemas fotovoltaicos es el mayor uso de la tecnología de un solo cristal en la actualidad. [14] En el campo de la energía fotovoltaica, la estructura cristalina más eficiente producirá la mayor conversión de luz a electricidad. [15] En la escala cuántica en la que operan los microprocesadores , la presencia de límites de grano tendría un impacto significativo en la funcionalidad de los transistores de efecto de campo al alterar las propiedades eléctricas locales. [16] Por lo tanto, los fabricantes de microprocesadores han invertido mucho en instalaciones para producir grandes cristales individuales de silicio. El método Czochralski y la zona flotante son métodos populares para el crecimiento de cristales de silicio. [17]

Fluorescencia del monocristal de (9H-carbazol-9-il)(4-clorofenil)metanona.

Otros monocristales semiconductores inorgánicos incluyen GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe y ZnTe. La mayoría de ellos también se pueden ajustar con diversos dopajes para obtener las propiedades deseadas. [18] El grafeno monocristalino también es muy deseado para aplicaciones en electrónica y optoelectrónica con su gran movilidad de portadores y alta conductividad térmica, y sigue siendo un tema de ferviente investigación. [19] Uno de los principales desafíos ha sido el crecimiento de monocristales uniformes de grafeno bicapa o multicapa en grandes áreas; el crecimiento epitaxial y el nuevo CVD (mencionado anteriormente) se encuentran entre los nuevos métodos prometedores en investigación. [20]

Los monocristales semiconductores orgánicos son diferentes de los cristales inorgánicos. Los enlaces intermoleculares débiles significan temperaturas de fusión más bajas, presiones de vapor más altas y mayor solubilidad. [21] Para que los monocristales crezcan, la pureza del material es crucial y la producción de materiales orgánicos generalmente requiere muchos pasos para alcanzar la pureza necesaria. [22] Se están realizando investigaciones exhaustivas para buscar materiales que sean térmicamente estables con alta movilidad de portadores de carga. Los descubrimientos anteriores incluyen naftaleno, tetraceno y 9,10-difenilantaceno (DPA). [23] Los derivados de trifenilamina han demostrado ser prometedores y, recientemente, en 2021, la estructura monocristalina de α-fenil-4′-(difenilamino)estilbeno (TPA) cultivada mediante el método de solución exhibió un potencial aún mayor para el uso de semiconductores con su propiedad de transporte de huecos anisotrópicos. [24]

Aplicación óptica

Un enorme cristal de KDP , fosfato de dihidrógeno de potasio, cultivado a partir de un cristal semilla en una solución acuosa sobresaturada en LLNL , que se cortará en rodajas y se utilizará en la Instalación Nacional de Ignición para duplicar y triplicar la frecuencia.

Los monocristales tienen propiedades físicas únicas debido a que son un solo grano con moléculas en un orden estricto y sin límites de grano. [2] Esto incluye propiedades ópticas, y los monocristales de silicio también se utilizan como ventanas ópticas debido a su transparencia en longitudes de onda infrarrojas (IR) específicas , lo que los hace muy útiles para algunos instrumentos. [4]

Zafiros : También conocidos como la fase alfa del óxido de aluminio (Al2O3 ) por los científicos, los cristales individuales de zafiro se utilizan ampliamente en ingeniería de alta tecnología. Se pueden cultivar a partir de fases gaseosas, sólidas o en solución. [ 9 ] El diámetro de los cristales resultantes del método de crecimiento es importante cuando se consideran usos electrónicos posteriores. Se utilizan para láseres y óptica no lineal . Algunos usos notables son en la ventana de un lector biométrico de huellas dactilares, discos ópticos para almacenamiento de datos a largo plazo e interferómetros de rayos X. [2]

Fosfuro de indio : estos monocristales son particularmente apropiados para combinar la optoelectrónica con la electrónica de alta velocidad en forma de fibra óptica con sus sustratos de gran diámetro. [25] Otros dispositivos fotónicos incluyen láseres, fotodetectores, fotodiodos de avalancha, moduladores y amplificadores ópticos, procesamiento de señales y circuitos integrados tanto optoelectrónicos como fotónicos. [26]

Cristales de óxido de aluminio

Germanio : Este fue el material del primer transistor inventado por Bardeen, Brattain y Shockley en 1947. Se utiliza en algunos detectores de rayos gamma y en óptica infrarroja. [27] Ahora se ha convertido en el foco de atención de los dispositivos electrónicos ultrarrápidos por su movilidad intrínseca de portadores. [26]

Arseniuro : El arseniuro III se puede combinar con varios elementos como B, Al, Ga e In, y el compuesto GaAs tiene una gran demanda para obleas. [26]

Telururo de cadmio : los cristales de CdTe tienen varias aplicaciones como sustratos para imágenes infrarrojas, dispositivos electroópticos y células solares . [28] Al alear CdTe y ZnTe juntos se pueden fabricar detectores de rayos X y rayos gamma a temperatura ambiente. [26]

Conductores eléctricos

Los metales se pueden producir en forma de monocristales y proporcionan un medio para comprender el rendimiento final de los conductores metálicos. Es vital para comprender la ciencia básica, como la química catalítica, la física de superficies, los electrones y los monocromadores . [29] La producción de monocristales metálicos tiene los requisitos de calidad más altos y se cultivan o se extraen en forma de varillas. [30] Algunas empresas pueden producir geometrías específicas, ranuras, agujeros y caras de referencia junto con diámetros variables. [18]

De todos los elementos metálicos, la plata y el cobre tienen la mejor conductividad a temperatura ambiente, lo que establece el estándar para el rendimiento. [31] El tamaño del mercado y los caprichos de la oferta y el costo han proporcionado fuertes incentivos para buscar alternativas o encontrar formas de usar menos de ellas mejorando el rendimiento.

La conductividad de los conductores comerciales se expresa a menudo en relación con el Estándar Internacional de Cobre Recocido , según el cual el cable de cobre más puro disponible en 1914 medía alrededor del 100%. El cable de cobre moderno más puro es un mejor conductor, midiendo más del 103% en esta escala. Las ganancias provienen de dos fuentes. Primero, el cobre moderno es más puro. Sin embargo, esta vía de mejora parece haber llegado a su fin. Hacer que el cobre sea más puro todavía no supone una mejora significativa. En segundo lugar, se han mejorado el recocido y otros procesos. El recocido reduce las dislocaciones y otros defectos de los cristales que son fuentes de resistencia. Pero los cables resultantes siguen siendo policristalinos. Los límites de grano y los defectos restantes de los cristales son responsables de cierta resistencia residual. Esto se puede cuantificar y comprender mejor examinando los monocristales.

Se demostró que el cobre monocristalino tiene mejor conductividad que el cobre policristalino. [32]

Resistividad eléctrica ρ para materiales de plata (Ag) / cobre (Cu) a temperatura ambiente (293 K) [33]
Materialρ (μΩ∙cm)CIEC [34]
Monocristal de Ag, dopado con 3 mol% de Cu1.35127%
Cu monocristalino, procesado posteriormente [35]1.472117,1%
Monocristal de Ag1.49115,4%
Cu monocristalino1.52113,4%
Alambre de plata de alta pureza (policristalino)1,59108%
Alambre de Cu de alta pureza (policristalino)1.67˃103%

Sin embargo, el cobre monocristalino no sólo se convirtió en un mejor conductor que la plata policristalina de alta pureza, sino que con el tratamiento de calor y presión prescrito podría superar incluso a la plata monocristalina. Aunque las impurezas suelen ser malas para la conductividad, un monocristal de plata con una pequeña cantidad de sustituciones de cobre resultó ser el mejor.

A partir de 2009, ya no se fabrica cobre monocristalino a gran escala de forma industrial, pero se utilizan métodos de producción de tamaños de cristales individuales muy grandes para conductores de cobre en aplicaciones eléctricas de alto rendimiento. Estos pueden considerarse metacristales monocristalinos con solo unos pocos cristales por metro de longitud.

Cola de cerdo a partir de una pieza de fundición de una sola hoja de cristal

Álabes de turbina monocristalinos

Otra aplicación de los sólidos monocristalinos es en la ciencia de los materiales en la producción de materiales de alta resistencia con baja fluencia térmica , como las palas de turbinas . [36] Aquí, la ausencia de límites de grano en realidad da lugar a una disminución de la resistencia al límite elástico, pero lo que es más importante, disminuye la cantidad de fluencia, que es fundamental para aplicaciones de piezas de alta temperatura y tolerancia estrecha. [37] El investigador Barry Piearcey descubrió que una curva en ángulo recto en el molde de fundición disminuiría la cantidad de cristales columnares y, más tarde, el científico Giamei utilizó esto para iniciar la estructura monocristalina de la pala de turbina. [38]

En investigación

Los monocristales son esenciales en la investigación, especialmente en la física de la materia condensada y en todos los aspectos de la ciencia de los materiales, como la ciencia de superficies . [2] El estudio detallado de la estructura cristalina de un material mediante técnicas como la difracción de Bragg y la dispersión de átomos de helio es más fácil con monocristales porque es posible estudiar la dependencia direccional de varias propiedades y compararlas con predicciones teóricas. [39] Además, las técnicas de promediado macroscópico, como la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular o la difracción de electrones de baja energía, solo son posibles o significativas en superficies de monocristales. [40] [41] En superconductividad ha habido casos de materiales en los que la superconductividad solo se observa en muestras monocristalinas. [42] Se pueden cultivar para este propósito, incluso cuando el material solo se necesita en forma policristalina .

Por ello, se están estudiando numerosos materiales nuevos en su forma monocristalina. El joven campo de los marcos metalorgánicos (MOF) es uno de los muchos que reúnen los requisitos para tener monocristales. En enero de 2021, el Dr. Dong y el Dr. Feng demostraron cómo se pueden optimizar los ligandos aromáticos policíclicos para producir grandes monocristales MOF 2D de tamaños de hasta 200 μm. Esto podría significar que los científicos pueden fabricar dispositivos monocristalinos y determinar la conductividad eléctrica intrínseca y el mecanismo de transporte de carga. [43]

El campo de la transformación fotoinducida también puede involucrar a los monocristales con algo llamado transformaciones de monocristal a monocristal (SCSC). Estas permiten la observación directa del movimiento molecular y la comprensión de los detalles mecanísticos. [44] Este comportamiento de fotoconmutación también se ha observado en investigaciones de vanguardia sobre imanes monomolécula de lantánidos mononucleares intrínsecamente no fotosensibles (SMM). [45]

Véase también

Referencias

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