O guia definitivo para materiais de cristal

Os cristais podem realizar a interação e a conversão de eletricidade, magnetismo, luz, som e força, entre outros. É um material indispensável e importante para o desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas.

Especialmente devido ao rápido desenvolvimento da microeletrônica de estado sólido, há uma necessidade maior de uma grande variedade de materiais de cristal, incluindo cristais semicondutores, cristais de laser, cristais de cintilação, cristais ópticos, cristais superduros, cristais isolantes, cristais piezoelétricos, etc. Os materiais cristalinos estão na vanguarda do desenvolvimento da ciência dos materiais, que estão intimamente relacionados a novas tecnologias, como espaço, eletrônica, laser, desenvolvimento de novas energias e biomedicina. Os tipos de materiais cristalinos e suas aplicações são extremamente amplos.

Neste artigo, apresentaremos brevemente alguns materiais de cristal comuns e suas aplicações.

Cristais semicondutores

Os cristais semicondutores são o principal material básico para o setor de semicondutores. Ele ocupa a primeira posição entre os materiais cristalinos em termos de sua ampla aplicação e importância.

O cristal semicondutor foi desenvolvido na década de 1950, a primeira geração de materiais representativos de semicondutores: cristal único de germânio (Ge) e cristal único de silício (Si), feitos a partir deles, uma variedade de diodos, transistores, tubos de efeito de campo, controladores de silício e tubos de alta potência e outros dispositivos, de modo que o circuito integrado de apenas uma dúzia de unidades de desenvolvimento rápido de circuito para conter milhares de componentes do circuito integrado de escala ultragrande, desencadeou o circuito integrado (IC) como o núcleo do rápido desenvolvimento do campo da microeletrônica, melhorando muito a confiabilidade do trabalho de circuitos integrados e reduzindo os custos. Por sua vez, isso promoveu a ampla aplicação de CIs em pesquisas espaciais, armas nucleares, mísseis, radares, computadores eletrônicos, equipamentos de comunicação militar e aplicações civis.

Os materiais semicondutores de segunda geração são semicondutores compostos, principalmente arseneto de gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb) e fosfeto de índio (InP), que são usados principalmente para fabricar dispositivos eletrônicos de alta frequência, alta velocidade e alta potência, e são amplamente usados nas áreas de comunicações por satélite, comunicações móveis e comunicações ópticas. GaAs, InP e outros materiais compostos são escassos, precisam ser formados por síntese, o preço é relativamente alto e mais prejudicial ao meio ambiente, o que dificulta o uso mais amplo e mais limitado, sendo gradualmente substituídos pela terceira geração de materiais semicondutores.

Os materiais semicondutores de terceira geração são principalmente materiais semicondutores de banda larga representados por carbeto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN), óxido de zinco (ZnO), diamante e nitreto de alumínio (AlN). Em comparação com os materiais semicondutores de primeira e segunda geração, os materiais semicondutores de terceira geração têm largura de banda larga, alto campo elétrico de ruptura, alta condutividade térmica, alta taxa de saturação de elétrons e maior resistência à radiação e, portanto, são mais adequados para a fabricação de dispositivos de alta temperatura, alta frequência, resistência à radiação e alta potência, e geralmente são chamados de materiais semicondutores de banda larga (largura de banda superior a 2,2ev), também conhecidos como materiais semicondutores de alta temperatura.

Cristais ópticos

Os cristais ópticos são usados como componentes ópticos de cristais, como fluoreto de cristal de halogeneto de lítio, fluoreto de cálcio, fluoreto de magnésio, fluoreto de bário, têm boas características de transmissão no ultravioleta e no infravermelho, portanto, podem ser usados como laser excimer ultravioleta e algumas janelas de saída de laser infravermelho, lentes, prismas, rotores, folhas de ondas etc.Óxidos como Al2O3 de safira, YVO4 de vanadato de ítrio, cristal, etc. também podem ser usados como trabalho dos lasers acima Óxidos como Al2O3 de safira, YVO4 de vanadato de ítrio, cristal, etc. também podem ser usados como janela de saída, lente, prisma, etc. dos lasers acima.

Cristal de laser

O laser é uma "substância" maravilhosa, é outra grande descoberta da humanidade depois da energia atômica, dos computadores e dos semicondutores. Como todos sabemos, o brilho do laser é tão alto que pode atingir um bilhão de vezes o brilho do sol ou até mais; o laser é puro e monocromático; o laser tem colimação incomparável (propagação em linha reta); e o laser tem energia poderosa, e a explosão instantânea de energia pode penetrar e derreter até mesmo os objetos mais duros. Portanto, os lasers são amplamente utilizados na produção, na vida e na pesquisa, e são uma ferramenta poderosa para as pessoas explorarem a natureza.

O dispositivo que gera a luz do laser é chamado de laser. Entre os vários lasers disponíveis atualmente, os lasers de estado sólido são os mais promissores. O cristal de laser (lasercristal), um material cristalino que converte a energia fornecida pelo mundo externo em um laser altamente paralelo e monocromático que é coerente no espaço e no tempo por meio de uma cavidade opticamente ressonante, é a substância de trabalho dos lasers de cristal e é o material de suporte básico para a tecnologia e o setor de laser de estado sólido. Os materiais comuns de cristal de laser incluem Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, cristal de gema de titânio, cristal de rubi etc.

Cristal de cintilação

Sob o impacto de partículas de alta energia, o cristal que pode transformar a energia cinética das partículas de alta energia em energia luminosa e emitir fluorescência é chamado de cristal de cintilação. O cristal de cintilação pode ser usado para a detecção de raios X, raios γ, nêutrons e outras partículas de alta energia. A tecnologia de detecção e geração de imagens com o cristal de cintilação como núcleo tem sido amplamente utilizada em medicina nuclear, física de alta energia, inspeção de segurança, detecção de falhas industriais não destrutivas, física espacial e prospecção nuclear, etc. Normalmente, os materiais de cristal de cintilação aplicados são cultivados por métodos artificiais, e há muitos tipos. Atualmente, os cristais de cintilação mais usados são BGO (abreviação do nome geral do composto de germanato de bismuto do sistema Bi2O3-GeO2), CsI (iodeto de césio), PbWO4 (tungstato de chumbo) etc.

Cristais superduros

O diamante, também chamado de "diamante", é um mineral natural e o material mais duro da natureza. É um cristal único composto de elementos de carbono formado sob alta pressão e alta temperatura nas profundezas da Terra durante um longo período de tempo. Os diamantes que podem ser encontrados e extraídos na natureza são extremamente raros. Normalmente, apenas 1 quilate de diamantes finamente triturados pode ser obtido por 4 metros cúbicos de minério rico, e os diamantes de tamanho grande que são cristalinos e sem falhas são ainda mais raros.

Desde a década de 1950, as pessoas pesquisaram e desenvolveram vários métodos para sintetizar o diamante artificialmente, principalmente alta temperatura e alta pressão (HTHP), deposição de vapor químico (CVD), método de explosão etc. Em 1955, a GE usou a HTHP para sintetizar cristais de diamante pela primeira vez. Na década de 1980, o mundo deu início a um boom de pesquisas sobre o diamante CVD, e vários métodos de preparação, como o método de filamento quente (HFCVD), plasma de micro-ondas (MPCVD) e jato de plasma de arco CC CVD, foram desenvolvidos, estabelecendo a base para as aplicações posteriores.

A alta dureza é uma das muitas características do diamante. Usando a dureza extremamente alta do diamante, ele pode ser preparado em várias ferramentas, que desempenham um papel insubstituível no processamento de pedras, metais não ferrosos, materiais compostos difíceis de usinar (como compostos de fibra de carbono), etc., e podem alcançar um processamento eficiente, de alta precisão e ecologicamente correto.

No processo de utilização do diamante em grandes quantidades, as pessoas também observaram suas deficiências. Um dos pontos mais proeminentes é que, ao processar alguns materiais duros com diamante, como moer um grande número de aço e carboneto de silício sinterizado, a temperatura da superfície do diamante chega a 1500 ~ 2000 ℃, nessa condição, a resistência do diamante diminui rapidamente e é muito fácil com o oxigênio no ar antagônico para produzir um fenômeno semelhante de "queima". Ao mesmo tempo, o próprio diamante é continuamente reduzido a grafite macio, que é inútil para a moagem, o que leva a uma perda muito rápida do diamante. Após a exploração contínua, um novo tipo de material superduro, o cristal de nitreto de boro cúbico, foi sintetizado para compensar a desvantagem do diamante, a estrutura cúbica do nitreto de boro - CBN, sua estrutura cristalina é semelhante à do diamante, a dureza é ligeiramente inferior à do diamante, mas a estabilidade térmica é muito superior à do aço dourado e os elementos metálicos de ferro têm maior estabilidade química. O desempenho de retificação dos abrasivos de nitreto cúbico de boro é excelente, o que não só é capaz de usinar materiais difíceis de retificar e melhorar a produtividade, mas também é quimicamente inerte, o que pode melhorar efetivamente a qualidade de retificação das peças. Ambos têm seus próprios pontos fortes, e a aplicação real depende da ocasião.

Material de cristal piezoelétrico

Quando um cristal é submetido a uma força externa, ele se polariza e forma uma carga superficial, um fenômeno conhecido como efeito piezoelétrico positivo; por outro lado, quando o cristal é submetido a um campo elétrico aplicado, ele se deforma, um fenômeno conhecido como efeito piezoelétrico inverso. Os cristais com efeito piezoelétrico são chamados de cristais piezoelétricos, que existem somente em cristais sem um centro de simetria. O primeiro cristal piezoelétrico descoberto foi o cristal (α-SiO2), que tem a propriedade de estabilidade de frequência e é um material piezoelétrico ideal para a fabricação de ressonadores, filtros, transdutores, defletores ópticos, dispositivos de ondas sonoras de superfície e vários dispositivos térmicos, de gás, fotossensíveis e quimiossensíveis. Também é amplamente utilizado na vida diária das pessoas, como relógios de quartzo, relógios eletrônicos, aparelhos de TV em cores, rádios estéreo e gravadores de fita.

Nos últimos anos, muitos novos cristais piezoelétricos foram desenvolvidos, como o niobato de lítio (LiNbO3) e o niobato de potássio (KNbO3) de estruturas do tipo calcogeneto. O efeito piezoelétrico desses cristais pode ser transformado em diversos dispositivos, amplamente utilizados no setor militar e civil, como medidores de pressão arterial, teclados piezoelétricos, linhas de atraso, osciladores, transdutores ultrassônicos, transformadores piezoelétricos etc.

Cristais isolados

Um exemplo típico de um wafer isolante é o wafer de mica. Mica é um termo geral para minerais de silicato em camadas, que são isolantes, transparentes, resistentes ao calor, à corrosão, fáceis de descascar e elásticos, etc. Eles são amplamente utilizados em motores elétricos, aparelhos elétricos, eletrônicos, rádio e eletrodomésticos, e desempenham um papel importante na economia nacional e na construção da defesa nacional. Embora existam muitos tipos de mica natural, a principal usada na indústria é a mica branca, seguida pela mica dourada.

Como a mica sintética tem excelentes características de pureza, transparência, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e isolamento elétrico, a folha de cristal único de mica sintética pode ser usada para

① estrutura isolante em vários dispositivos a vácuo, como pedal de gás, câmara de ionização, magnetron e tubo de elétrons;

② material de janela, como janela de saída de tubo de micro-ondas, janela de observação de forno de alta temperatura e janela resistente a ácidos e álcalis;

③ medidor de nível de água de caldeira de alta pressão em usina de energia térmica;

④ capacitor resistente a altas temperaturas, esqueleto de termômetro de superfície de fio de platina, etc.

Conclusão

A Stanford Advanced Materials produz materiais de cristal funcionais para muitos dispositivos de aplicação. Os materiais de cristais funcionais incluem principalmente cristais magneto-ópticos TGG terbium gallium garnet, TSAG; cristais piezoelétricos LT (LiTaO3) tantalato de lítio, LN (LiNbO3) nioato de lítio, LGS lanthanum gallium silicate; cristais de cintilação Ce: LUAG, Ce: GAGG; cristal de laser Nd: YAG e cristais de substrato epitaxial de cristal único GGG, SGGG, aluminato de lantânio LaAlO3, etc.

Os materiais de cristal são amplamente usados em dispositivos como interruptores Q de ajuste elétrico e óptico, isoladores ópticos, rotadores ópticos, etc. Os isoladores ópticos, incluindo os isoladores de espaço livre de Faraday e os isoladores de fibra, variam de 450 nm a 1100 nm de comprimento de onda.