Single crystal

In materials science, a single crystal (or single-crystal solid or monocrystalline solid) is a material in which the crystal lattice of the entire sample is continuous and unbroken to the edges of the sample, with no grain boundaries.^[1] The absence of the defects associated with grain boundaries can give monocrystals unique properties, particularly mechanical, optical and electrical, which can also be anisotropic, depending on the type of crystallographic structure.^[2] These properties, in addition to making some gems precious, are industrially used in technological applications, especially in optics and electronics.^[3]

Because entropic effects favor the presence of some imperfections in the microstructure of solids, such as impurities, inhomogeneous strain and crystallographic defects such as dislocations, perfect single crystals of meaningful size are exceedingly rare in nature.^[2] The necessary laboratory conditions often add to the cost of production. On the other hand, imperfect single crystals can reach enormous sizes in nature: several mineral species such as beryl, gypsum and feldspars are known to have produced crystals several meters across.^[4]

The opposite of a single crystal is an amorphous structure where the atomic position is limited to short-range order only.^[5] In between the two extremes exist polycrystalline, which is made up of a number of smaller crystals known as crystallites, and paracrystalline phases.^[6] Single crystals will usually have distinctive plane faces and some symmetry, where the angles between the faces will dictate its ideal shape. Gemstones are often single crystals artificially cut along crystallographic planes to take advantage of refractive and reflective properties.^[6]

Although current methods are extremely sophisticated with modern technology, the origins of crystal growth can be traced back to salt purification by crystallization in 2500 BCE. A more advanced method using an aqueous solution was started in 1600 CE while the melt and vapor methods began around 1850 CE.^[7]

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、固体、蒸気、溶液の 4 つのカテゴリに分類できます。^{[ 2 ]}大きな単結晶 (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)、フローティング ゾーン(またはゾーン移動)、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 の単結晶を初めて作成しました。^{[ 8 ]}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、他の結晶化方法を使用することもできます。^{[ 9 ]}例えば、改良された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。^{[ 10 ]}火炎溶融法とも呼ばれるヴェルヌイユ法は、CZ 法の前に 1900 年代初頭にルビーを作るために使用されました。^{[ 7 ]}右側の図は、従来の方法のほとんどを示しています。化学気相成長法（CVD）などの新しいブレークスルーや、既存の方法に対するさまざまなバリエーションや改良が加えられています。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。 ^{[ 11 ]}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層（マイクロメートルからナノメートルスケール）を堆積するために使用されます。^{[ 12 ]}この技術の応用分野は半導体製造にあり、他のナノテクノロジー分野や触媒作用にも応用される可能性があります。^{[ 13 ]}

ポリマーの単結晶を成長させるのは非常に困難です。これは主に、ポリマー鎖の長さが様々であることと、様々なエントロピー的な要因によるものです。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一つです。

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において研究に不可欠です。^{[ 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、理論的予測と比較できるため、単結晶の方が容易です。 ^{[ 41 ]}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巨視的平均化技術は、単結晶の表面でのみ可能または意味があります。^{[ 42 ] [ 43 ]}単結晶は、薄膜よりも作製方法の影響をはるかに受けにくいため、表面に敏感な技術を使用して材料固有の特性を調査するのにも適しています。^{[ 44 ]}超伝導では、単結晶試料でのみ超伝導が見られる材料の事例があります。^{[ 45 ]}材料が多結晶形態でのみ必要とされる場合でも、この目的のために成長させることができます。

そのため、多くの新しい材料が単結晶の形で研究されています。金属有機構造体（MOF）という若い分野は、単結晶を持つことができる多くの材料の1つです。2021年1月、Dong博士とFeng博士は、多環芳香族配位子を最適化することで、最大200μmサイズの大きな2D MOF単結晶を生成できることを実証しました。これは、科学者が単結晶デバイスを製造し、固有の電気伝導率と電荷輸送メカニズムを決定できる可能性があることを意味します。^{[ 46 ]}

光駆動変換の分野は、単結晶から単結晶への変換（SCSC変換）と呼ばれる現象を伴う単結晶にも関係している。これにより、分子の動きを直接観察し、機構の詳細を理解することができる。^{[ 47 ]}この光スイッチング挙動は、本来光応答性を持たない単核ランタニド単分子磁石（SMM）に関する最先端の研究でも観察されている。^{[ 48 ]}

半導体、光学、セラミックスなどに使用される単結晶は、多くの場合、ウェーハ、プリズム、その他の精密部品に加工または切断する必要があります。これらの材料は硬度が高く脆いため、表面下の損傷や切断幅の損失を最小限に抑える特殊な切断技術が求められます。

内径（ID）切断は、ダイヤモンド研磨材が埋め込まれた薄い円形の刃で結晶を切断する従来の方法です。寸法精度は良好ですが、刃の剛性と最大切断深さによって制限されます。^{[ 49 ]}

往復運動する長いダイヤモンドワイヤを使用するマルチワイヤソーイングは、シリコンおよびサファイアウェハの主流プロセスとなった。これにより、1つのインゴットから複数のウェハを同時にスライスできるが、往復運動により振動やワイヤの摩耗が発生し、表面の傷や張力の変動につながる可能性がある。^{[ 50 ]}

エンドレスダイヤモンドワイヤソーイング（ループタイプ）は、より新しいアプローチです。ワイヤは連続した閉じたループを形成し、通常は数メートルの長さで、高速（約60～80  m/s）で一方向に移動します。ワイヤの張力と動きが一定であるため、このプロセスでは、より滑らかな表面、より小さな切断幅、およびより長い工具寿命を実現できます。シリコン、サファイア、先進セラミックスなどの硬くて脆い単結晶材料のスライスに適用されています。^{[ 51 ]}

レーザー切断、超音波加工、イオンビーム研磨、化学機械研磨などの他の技術は、仕上げ工程や微細加工工程、特に光学グレードの表面品質が要求される場合に使用されます。

• 結晶化の工学的側面
• 分別結晶化
• レーザー加熱による台座の成長
• マイクロプルダウン
• 再結晶
• 種結晶

• イリノイ工科大学のウェブサイトにある「小分子結晶化」（PDF）