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| 結晶 | |
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材料科学
において、単結晶（または単結晶固体、単結晶固体）とは、サンプル全体の結晶格子がサンプルの端まで連続しており、粒界がない材料のことである。[1]粒界に関連する欠陥が存在しないことで、単結晶は、特に機械的、光学的、電気的に独特の特性を持つことができ、結晶構造の種類によっては異方性を持つこともできる。 [2]これらの特性は、宝石を貴重なものにするだけでなく、特に光学や電子工学の分野での技術的用途にも産業的に利用されている。[3]
エントロピー効果により、固体の微細構造には不純物、不均一な歪み、転位などの結晶学的欠陥などの欠陥が存在する傾向があるため、意味のある大きさの完全な単結晶は自然界では非常に稀です。[2]必要な実験室条件により、製造コストが増加することがよくあります。一方、不完全な単結晶は自然界で非常に大きなサイズに達することがあります。緑柱石、石膏、長石などのいくつかの鉱物種は、直径が数メートルの結晶を生成することが知られています。[要出典]
単結晶の反対は、原子の位置が短距離秩序のみに制限されている非晶質構造です。 [4] 2つの極端な状態の間には、微結晶と呼ばれる多数の小さな結晶で構成される多結晶と、準結晶相が存在します。[5]単結晶は通常、特徴的な平面とある程度の対称性を持ち、面間の角度によって理想的な形状が決まります。宝石は、屈折特性と反射特性を利用するために結晶面に沿って人工的にカットされた単結晶であることが多いです。[5]
生産方法
現在の方法は現代の技術によって非常に洗練されていますが、結晶成長の起源は紀元前2500年の結晶化による塩の精製にまで遡ることができます。水溶液を使用するより高度な方法は紀元1600年に開始され、溶融法と蒸気法は紀元1850年頃に始まりました。[6]
基本的な結晶成長法は、人工的に成長させるものに基づいて、溶融物、固体、気相、溶液の4つのカテゴリに分けられます。[2]大型単結晶（別名ブール）を製造するための特定の技術には、チョクラルスキー法（CZ）、浮遊ゾーン法（またはゾーン移動法）、ブリッジマン法などがあります。ベル電話研究所のティール博士とリトル博士は、チョクラルスキー法を使用してGeとSiの単結晶を作成した最初の人物でした。[7]物質の物理的特性に応じて、水熱合成、昇華、または単に溶媒ベースの結晶化など、他の結晶化方法が使用される場合があります。[8]たとえば、修正キロプロス法を使用して、高品質の300 kgサファイア単結晶を成長させることができます。[9]ベルヌーイ法は炎溶融法とも呼ばれ、CZより前の1900年代初頭にルビーを作るのに使用されていました。[6]右の図は従来の方法のほとんどを示しています。化学蒸着法（CVD）などの新しいブレークスルーがあり、既存の方法にはさまざまなバリエーションや調整が加えられていますが、これらは図には示されていません。
金属単結晶の場合、製造技術には固体中のエピタキシーと異常粒成長も含まれます。[10]エピタキシーは、既存の単結晶の表面に同じまたは異なる材料の非常に薄い（マイクロメートルからナノメートルスケール）層を堆積するために使用されます。[11]この技術の用途は半導体製造の分野にあり、他のナノテクノロジー分野や触媒にも使用できる可能性があります。[12]
ポリマーの単結晶を成長させることは非常に困難です。これは主にポリマー鎖の長さが異なり、さまざまなエントロピーの理由によるものです。しかし、トポケミカル反応はポリマーの単結晶を得るための簡単な方法の1つです。[1]
アプリケーション
半導体産業
半導体産業で最もよく使われている単結晶の一つはシリコンです。半導体単結晶の主な製造方法は、金属溶液から製造する方法で、液相エピタキシー（LPE）、液相電気エピタキシー（LPEE）、トラベリングヒーター法（THM）、液相拡散法（LPD）の4つです。[13]しかし、無機単結晶以外にも半導体として機能できる単結晶は数多くあり、単結晶有機半導体もその一つです。
半導体や太陽光発電の製造に用いられる単結晶シリコンは、今日、単結晶技術が最も多く利用されている。[14] 太陽光発電では、最も効率的な結晶構造が最高の光電変換率を生み出す。[15]マイクロプロセッサが動作する量子スケールでは、粒界の存在が局所的な電気特性を変化させ、電界効果トランジスタの機能に大きな影響を与える。[16]そのため、マイクロプロセッサ製造業者は、大型のシリコン単結晶を製造するための設備に多額の投資を行ってきた。チョクラルスキー法と浮遊ゾーン法は、シリコン結晶の成長によく用いられる方法である。[17]
その他の無機半導体単結晶には、GaAs、GaP、GaSb、Ge、InAs、InP、InSb、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe などがあります。これらのほとんどは、さまざまなドーピングで調整して、望ましい特性を得ることができます。[18]単結晶グラフェンは、その大きなキャリア移動度と高い熱伝導率により、エレクトロニクスやオプトエレクトロニクスへの応用にも非常に望まれており、熱心な研究の対象となっています。[19]主な課題の 1 つは、広い面積にわたって均一な 2 層または多層グラフェンの単結晶を成長させることです。エピタキシャル成長と新しい CVD (上記) は、現在研究中の新しい有望な方法の 1 つです。[20]
有機半導体単結晶は無機結晶とは異なります。分子間結合が弱いため、融点が低く、蒸気圧が高く、溶解度が高くなります。[21]単結晶を成長させるには、材料の純度が重要であり、有機材料の製造では通常、必要な純度に達するまでに多くのステップが必要です。[22]熱的に安定で電荷キャリア移動度の高い材料を探すための広範な研究が行われています。過去の発見には、ナフタレン、テトラセン、9,10-ジフェニルアンタセン（DPA）などがあります。[23]トリフェニルアミン誘導体は有望であり、最近では2021年に、溶液法を使用して成長したα-フェニル-4'-（ジフェニルアミノ）スチルベン（TPA）の単結晶構造が、その異方性ホール輸送特性により、半導体用途でさらに大きな可能性を示しました。[24]
光学アプリケーション
単結晶は、分子が厳密に整列した単一の粒子であり、粒界がないため、独特の物理的特性を持っています。[2]これには光学的特性も含まれ、シリコンの単結晶は特定の赤外線（IR）波長で透明であるため光学窓としても使用され、一部の機器では非常に便利です。[4]
サファイア：科学者には酸化アルミニウム（Al 2 O 3）のアルファ相としても知られるサファイア単結晶は、ハイテク工学で広く使用されています。気相、固相、溶液相から成長させることができます。[9]成長方法から得られる結晶の直径は、その後の電子用途を考える上で重要です。レーザーや非線形光学に使用されます。注目すべき用途としては、生体認証指紋リーダーのウィンドウ、長期データ保存用の光ディスク、X線干渉計などがあります。[2]
インジウムリン：これらの単結晶は、大口径基板を備えた光ファイバーの形で、オプトエレクトロニクスと高速エレクトロニクスを組み合わせるのに特に適しています。[25]その他のフォトニックデバイスには、レーザー、光検出器、アバランシェフォトダイオード、光変調器と増幅器、信号処理、オプトエレクトロニクスとフォトニック集積回路の両方が含まれます。[26]
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ゲルマニウム：これは、1947年にバーディーン、ブラッテン、ショックレーによって発明された最初のトランジスタの材料でした。一部のガンマ線検出器や赤外線光学系に使用されています。[27]現在では、その固有のキャリア移動度により、超高速電子デバイスの焦点となっています。[26]
ヒ化物：ヒ化物IIIは、B、Al、Ga、Inなどのさまざまな元素と組み合わせることができ、GaAs化合物はウェハーとして高い需要があります。[26]
テルル化カドミウム：CdTe結晶は、IRイメージング、電気光学デバイス、太陽電池の基板としてさまざまな用途に使用されています。[28] CdTeとZnTeを合金化することで、室温で動作するX線およびガンマ線検出器を製造できます。[26]
電気導体
金属は単結晶の形で生産することができ、金属導体の究極の性能を理解する手段を提供します。これは、触媒化学、表面物理学、電子、モノクロメータなどの基礎科学を理解するために不可欠です。[29]金属単結晶の生産には最高の品質要件があり、棒の形で成長または引き上げられます。[30]一部の企業は、さまざまな直径とともに、特定の形状、溝、穴、基準面を生産できます。[18]
すべての金属元素の中で、銀と銅は室温で最高の導電性を持ち、性能の基準を設定しています。 [31]市場規模と供給とコストの変動により、代替品を探したり、性能を向上させることでそれらの使用量を減らす方法を見つけたりする強い動機が生まれました。
市販の導体の導電率は、多くの場合、国際焼鈍銅規格を基準にして表されます。この規格によると、1914 年に入手可能な最も純粋な銅線は約 100% でした。現代の最も純粋な銅線はより優れた導体であり、このスケールで 103% を超えています。この向上は 2 つの点から得られます。まず、現代の銅はより純粋です。ただし、この改善の道は終わったようです。銅をより純粋にしても、依然として大きな改善は見られません。次に、焼鈍処理やその他のプロセスが改善されました。焼鈍処理により、抵抗の原因となる転位やその他の結晶欠陥が減少します。しかし、結果として得られるワイヤは依然として多結晶です。粒界と残留結晶欠陥が、いくらかの残留抵抗の原因となります。これは、単結晶を調べることで定量化し、よりよく理解できます。
単結晶銅は多結晶銅よりも導電性が優れていることが証明されました。[32]
しかし、単結晶銅は高純度多結晶銀よりも優れた導体となっただけでなく、規定の熱処理と圧力処理により単結晶銀をも上回ることができました。不純物は通常導電性に悪影響を及ぼしますが、少量の銅置換を含む銀単結晶が最適であることが証明されました。
2009 年現在、銅単結晶は工業的に大規模に製造されていませんが、銅導体用の非常に大きな個々の結晶サイズを製造する方法が、高性能電気用途に活用されています。これらは、長さ 1 メートルあたりわずか数個の結晶しかないメタ単結晶と見なすことができます。
単結晶タービンブレード
単結晶固体のもう一つの用途は、タービンブレードなどの熱クリープの少ない高強度材料の製造における材料科学である。[36]この場合、粒界が存在しないと実際には降伏強度が低下するが、より重要なのは、高温で公差の狭い部品用途にとって重要なクリープ量が減少することである。[37]研究者のバリー・ピアシーは、鋳造金型を直角に曲げると柱状結晶の数が減少することを発見し、後に科学者のジャメイはこれを利用してタービンブレードの単結晶構造を開始した。[38]
研究において
単結晶は、特に凝縮系物理学や表面科学などの材料科学のあらゆる側面の研究に不可欠です。[2]ブラッグ回折やヘリウム原子散乱などの技術による材料の結晶構造の詳細な研究は、さまざまな特性の方向依存性を研究し、理論的予測と比較することができるため、単結晶を使用すると簡単になります。[39]さらに、角度分解光電子分光法や低エネルギー電子回折などのマクロ的に平均化する技術は、単結晶の表面でのみ可能または意味があります。[40] [41]超伝導では、超伝導が単結晶試料でのみ見られる材料のケースがありました。[42]材料がそうでなければ多結晶の形 でのみ必要な場合でも、この目的のためにそれらを成長させることがあります。
そのため、多くの新素材が単結晶の形で研究されています。金属有機構造体（MOF）という新しい分野は、単結晶を持つ資格を持つ多くの分野のうちの1つです。2021年1月、ドン博士とフェン博士は、多環芳香族リガンドを最適化して、最大200μmのサイズの大型2D MOF単結晶を生成する方法を実証しました。これは、科学者が単結晶デバイスを製造し、固有の電気伝導性と電荷輸送メカニズムを決定できることを意味する可能性があります。[43]
光駆動変換の分野は、単結晶から単結晶（SCSC）への変換と呼ばれるものによって単結晶にも関係しています。これにより、分子の動きを直接観察し、メカニズムの詳細を理解することができます。[44]この光スイッチング動作は、本質的に光に応答しない単核ランタニド単分子磁石（SMM）の最先端の研究でも観察されています。[45]
参照
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