Застосування “Кристалічні матеріали”
Застосування “Кристалічні матеріали“
Кристал може реалізувати взаємодію та перетворення електроенергії, магнетизм, світло, звук і сила, і т.д.. Це незамінний і важливий матеріал у розвитку сучасної науки і техніки. Таким чином, потреба в розвитку науки і техніки сприяла розвитку інтраокулярних лінз.
Особливо завдяки стрімкому розвитку твердотільної мікроелектроніки, велика різноманітність кристалічні матеріали потрібні, включаючи напівпровідникові кристали, лазерні кристали, сцинтиляційні кристали, оптичні кристали, надтверді кристали, ізоляційні кристали та п'єзоелектричні кристали.
Кордон розвитку матеріалознавства тісно пов’язаний з новими технологіями, такими як космос, електроніка, лазери, розвиток нової енергетики, та біомедицина. Види і застосування кристалічні матеріали надзвичайно широкі. Нижче буде коротко представлено деякі поширені кристалічні матеріали та область їх застосування.
01. Напівпровідниковий кристал
Напівпровідникові кристали є основною базовою сировиною для напівпровідникової промисловості. З точки зору широти та важливості застосування, він займає перше і найважливіше місце в кристалічних матеріалах.
Напівпровідникові кристали розробляються з 1950-х років. Перше покоління репрезентативних напівпровідникових матеріалів: германій (Ge) монокристали і кремній монокристали (І), які виготовлені з різних діодів, тріоди, польові транзистори, SCR і високопотужна трубка, і т.д..
Швидкий розвиток інтегральних схем від лише дюжини одиничних схем до надвеликих інтегральних схем, що містять тисячі компонентів, спричинив швидкий розвиток галузі мікроелектроніки з інтегральними схемами (мікросхеми) як ядро, і значно поліпшив роботу інтегральних схем. Одночасно, вартість знижується. Це в свою чергу сприяє широкому застосуванню інтегральних схем у космічних дослідженнях, ядерна зброя, ракети, радар, електронні обчислювальні машини, обладнання військового зв'язку та цивільного використання.
Напівпровідникові матеріали другого покоління - це складні напівпровідники на основі арсеніду галію (GaAs), антимонід індію (InSb), і фосфід індію (InP), які в основному використовуються для створення високочастотних, швидкодіючі та потужні електронні пристрої.
Він широко використовується в супутниковому зв'язку, мобільний зв'язок і оптичний зв'язок. GaAs і напівпровідникові лазери на фосфіді індію стали ключовими пристроями в системах оптичного зв'язку, і GaAs високошвидкісні пристрої також відкрили нові галузі для оптичних волокон і мобільного зв'язку.
Сировина GaAs, InP та інші складні матеріали є дефіцитними, і їх потрібно утворювати шляхом синтезу. Ціна відносно висока, і вони більш шкідливі для навколишнього середовища, ускладнюючи їх широке використання та обмежуючи їх, і поступово витісняються напівпровідниковими матеріалами третього покоління.
Напівпровідникові матеріали третього покоління - це переважно широкозонні напівпровідникові матеріали, представлені карбідом кремнію (SiC), нітрид галію (GaN), оксид цинку (ZnO), діамант, і нітрид алюмінію (AlN).
Порівняно з напівпровідниковими матеріалами першого та другого покоління, напівпровідникові матеріали третього покоління мають широку заборонену зону, сильне електричне поле пробою, висока теплопровідність, висока швидкість насичення електронами і більш висока радіаційна стійкість.
тому, він більше підходить для виготовлення високотемпературних, висока частота, радіаційно-стійкі та потужні пристрої, і часто називають широкозонним напівпровідниковим матеріалом (ширина зазору більше 2,2 ев), також відомий як високотемпературний напівпровідниковий матеріал.
в цілому, нітрид галію, карбід кремнію та інші матеріали називають широкозонними напівпровідниками; нітрид галію, нітрид алюмінію, Нітрид індію та його змішані кристалічні матеріали називають нітридними напівпровідниками, або нітрид галію, арсенід галію, Фосфід індію називають напівпровідником III-V.
02. Оптичний кристал
Оптичні кристали — це кристали, які використовуються як оптичні компоненти, такі як галогенідні кристали фториду літію, фтористий кальцій, фторид магнію, фторид барію, вони мають хороші характеристики пропускання ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання, тому їх можна використовувати як ультрафіолетові ексимерні вихідні вікна для лазерів і деяких ІЧ-лазерів, лінзи, призми, поляризатори, хвилеві пластини, і т.д..
Оксиди, такі як сапфір Al2O3, ванадат ітрію YVO4, кристал, і т.д.. Його також можна використовувати як робочі вікна вищевказаних лазерів, оптичні ізолятори, циркуляційні насоси, дільники променя та оптичні поляризатори.
Напівпровідниковий монокристалічний кремній, германій, селен, арсенід галію і селенід цинку, сульфід цинку має хороші характеристики передачі в далекому інфрачервоному діапазоні, і може використовуватися як вуглекислий лазер (вікно виведення, об'єктив, призма, тощо)
03. Лазерний кристал
Лазер чудовий “речовина”, і це ще одне велике відкриття людства після атомної енергетики, комп'ютер і напівпровідник. Всім відомо, що яскравість лазера надзвичайно висока, які можуть досягти 1 яскравість сонця в мільярд разів або навіть вище;
Лазер надзвичайно чистий і має чудову монохроматичність; лазер має неперевершену колімацію (прямолінійне поширення); Миттєві спалахи енергії, які можуть проникнути й розплавити навіть найтвердіші предмети. тому, лазер широко використовується у виробництві, життя і наукові дослідження, і це потужна зброя для людей, щоб досліджувати природу.
Лазером називають пристрій, що виробляє лазер. Серед актуальних різноманітні лазери, найбільш перспективними є повністю твердотільні лазери. Лазерний кристал, який може перетворювати енергію, яку надає зовнішній світ через оптичний резонатор, у дуже паралельний і монохроматичний лазерний кристалічний матеріал, когерентний у просторі та часі. Основні допоміжні матеріали для промисловості.
Поширені лазерні кристалічні матеріали включають легований неодимом ітрієвий алюмінієвий гранатовий кристал Nd:YAG, легований неодимом кристал ванадату ітрію Nd:YVO4, легований неодимом кристал фториду літію ітрію Nd:YLF, титано-сапфірове скло, рубіновий кристал, і т.д..
04. Сцинтиляційний кристал
Під впливом частинок високої енергії, кристали, здатні перетворювати кінетичну енергію частинок високої енергії в енергію світла і випромінювати флуоресценцію, називаються сцинтиляційними кристалами.. Для детектування рентгенівського випромінювання можна використовувати сцинтиляційні кристали, гамма-промені, нейтрони та інші частинки високої енергії.
Технологія виявлення та зображення, зосереджена на сцинтиляційних кристалах, широко використовується в ядерній медицині, фізика високих енергій, перевірка безпеки, промисловий неруйнівний контроль, космічна фізика та ядерна розвідка.
Зазвичай використовувані матеріали сцинтиляційних кристалів культивуються штучними методами, і їх багато видів. Наразі, найбільш використовуваними сцинтиляційними кристалами є BGO (абревіатура германату вісмуту, загальна назва Bi2O3-GeO2 ряд сполук), CsI (йодид цезію), PbWO4 (вольфрамат свинцю) і так далі.
05. Надтвердий кристал
діамант, також відомий як “діамант”, це природний мінерал і найтвердіша речовина, яка існує в природі. Елементарний кристал. Алмази, які можна знайти і видобути в природі, надзвичайно рідкісні. Зазвичай, дрібних діамантів загальною вагою 1 карат можна отримати в кожному 4 кубічних метрів багатої руди. Кристально чистий, бездоганні діаманти великого розміру зустрічаються ще рідше.
З 1950-х років, люди дослідили та розробили різноманітні методи синтетичного алмазу, в основному включаючи високу температуру та високий тиск (ПВТ), хімічне осадження з парової фази (ССЗ), і детонація. в 1955, GE вперше використала метод високої температури та високого тиску для синтезу кристалів алмазу.
У 1980-х роках, у світі розпочався сплеск досліджень алмазів із серцево-судинними захворюваннями, і розробив різні методи підготовки, такі як метод гарячого дроту (HFCVD), мікрохвильова плазма (MPCVD) і CVD з дуговим плазмовим струменем постійного струму, що заклало основу для подальших застосувань.
Висока твердість є однією з багатьох характеристик алмазу. Використання надзвичайно високої твердості алмазу, його можна готувати в різні інструменти, які відіграють незамінну роль в обробці каменю, кольорові метали, і важкооброблювані композиційні матеріали (наприклад композитні матеріали з вуглецевого волокна). Для досягнення ефективного, високоточні, екологічно чиста обробка.
Коли мова йде про алмаз, його можна пов’язати з новим типом надтвердого матеріалу кубічного кристала нітриду бору, кубічний нітрид бору-CBN, його кристалічна структура схожа на алмаз, його твердість трохи нижче алмазу, але його термічна стійкість набагато вища, ніж у алмазу , має більшу хімічну стійкість до металевих елементів на основі заліза.
Ефективність шліфування абразивів кубічного нітриду бору дуже добра, він не тільки може бути компетентним для обробки матеріалів, які важко шліфувати, а й підвищити продуктивність, хімічна інертність, і може ефективно покращити якість шліфування заготовок.
06. П'єзоелектричний кристалічний матеріал
Коли на кристал діє зовнішня сила, кристал поляризується і утворює поверхневий заряд, який називається позитивним п'єзоелектричним ефектом; І навпаки, коли на кристал діє зовнішнє електричне поле, кристал деформується, який називається зворотним п'єзоефектом. Кристали з п'єзоелектричним ефектом називаються п'єзокристалами, які існують лише в кристалах без центру симетрії.
Найбільш ранній відкритий п'єзоелектричний кристал - кристал (α-SiO2), який має характеристики стабільності частоти і є ідеальним п'єзоелектричним матеріалом, які можна використовувати для виготовлення резонаторів, фільтри, перетворювачі, оптичні дефлектори, апарати поверхневих акустичних хвиль і різні терм, газочутливі, світлочутливі та хімічно чутливі пристрої, і т.д.. Він також широко використовується в повсякденному житті людей, наприклад кварцові годинники, електронні годинники, кольорові телевізори, стерео радіо та магнітофони.
В останні роки, було розроблено багато нових п'єзоелектричних кристалів, такі як ніобат літію (LiNbO3) і ніобат калію (KNbO3) зі структурою перовскіту. Використання п'єзоелектричного ефекту цих кристалів, можна виготовляти різні пристрої, які широко використовуються у військовій та цивільній промисловості, наприклад, сфігмоманометри, п'єзоелектричні клавіатури, лінії затримки, осцилятори, ультразвукові перетворювачі, п'єзоелектричні трансформатори, і т.д..
07. Ізоляційний кристал
Типовим прикладом ізоляційних пластин є слюдяні пластини. Слюда — загальний термін для шаруватих силікатних мінералів. Має властивості утеплювача, прозорість, термостійкість, стійкість до корозії, легке відшарування і еластичність. Він широко використовується в двигунах, Електричні прибори, електроніка, радіо та побутова техніка.
Відіграє важливу роль в економічному і національно-оборонному будівництві. Хоча видів натуральної слюди дуже багато, у промисловості найбільш широко використовується слюда мусковіт, потім флогопітова слюда.
Через низькі запаси природної слюди в багатьох країнах, особливо якісні, великомасштабна слюда, які не можуть задовольнити потреби розвитку електронної промисловості, синтетична слюда вивчається з 1950-х років.
Оскільки синтетична слюда має чудові властивості, такі як чистота, прозорість, стійкість до високої температури, стійкість до корозії та електроізоляція, синтетичні одинарні пластини слюди можна використовувати в:
① Ізоляційні стійки в різних вакуумних пристроях, наприклад прискорювачі, іонізаційні камери, магнетрони та електронні трубки, і т.д.. ;
② Віконні матеріали, наприклад вихідні вікна мікрохвильової трубки, вікна для огляду високотемпературної печі та вікна, стійкі до кислот і лугів;
③ Рівнеміри котлової води високого тиску на ТЕС;
④ Високотемпературні конденсатори, скелет поверхневого термометра з платинового дроту, і т.д..
Нижче відео різання кристалів для довідки:
https://www.youtube.com/watch?v=VA3P7tIrT44
