Le guide ultime des matériaux cristallins

Les cristaux peuvent réaliser l'interaction et la conversion de l'électricité, du magnétisme, de la lumière, du son et de la force, etc. Il s'agit d'un matériau indispensable et important pour le développement de la science et de la technologie modernes.

En raison notamment du développement rapide de la microélectronique à l'état solide, il existe un besoin accru d'une grande variété de matériaux cristallins, y compris les cristaux semi-conducteurs, les cristaux laser, les cristaux à scintillation, les cristaux optiques, les cristaux superdurs, les cristaux isolants, les cristaux piézoélectriques, etc. Les matériaux cristallins sont à la pointe du développement de la science des matériaux, qui sont étroitement liés aux nouvelles technologies telles que l'espace, l'électronique, le laser, le développement des nouvelles énergies et la biomédecine. Les types de matériaux cristallins et leurs applications sont extrêmement variés.

Dans cet article, nous présenterons brièvement quelques matériaux cristallins courants et leurs applications.

Cristaux semi-conducteurs

Les cristaux semi-conducteurs sont le principal matériau de base de l'industrie des semi-conducteurs. Ils occupent la première place parmi les matériaux cristallins en termes d'application et d'importance.

Le cristal semi-conducteur a été développé dans les années 1950, la première génération de matériaux semi-conducteurs représentatifs : le monocristal de germanium (Ge) et le monocristal de silicium (Si), à partir desquels ont été fabriqués divers diodes, transistors, tubes à effet de champ, contrôleurs au silicium, tubes à haute puissance et autres dispositifs, de sorte que le circuit intégré est passé rapidement d'une douzaine d'unités de circuit à des milliers de composants du circuit intégré à très grande échelle, ce qui a déclenché le circuit intégré (CI) en tant que noyau du développement rapide du domaine de la microélectronique, améliorant considérablement la fiabilité du travail des circuits intégrés tout en réduisant les coûts. Cette évolution a favorisé une large application des circuits intégrés dans la recherche spatiale, les armes nucléaires, les missiles, les radars, les ordinateurs électroniques, les équipements de communication militaires et les applications civiles.

Les matériaux semi-conducteurs de deuxième génération sont des semi-conducteurs composés, principalement l'arséniure de gallium (GaAs), l'antimoniure d'indium (InSb) et le phosphure d'indium (InP), qui sont principalement utilisés pour fabriquer des dispositifs électroniques à haute fréquence, à grande vitesse et à forte puissance, et sont largement utilisés dans les domaines des communications par satellite, des communications mobiles et des communications optiques. Le GaAs, l'InP et d'autres matériaux composés sont rares, doivent être formés par synthèse, leur prix est relativement élevé et ils sont plus nocifs pour l'environnement, ce qui rend leur utilisation plus difficile et plus limitée, et ils sont progressivement remplacés par la troisième génération de matériaux semi-conducteurs.

Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération sont principalement des matériaux semi-conducteurs à large bande représentés par le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), l'oxyde de zinc (ZnO), le diamant et le nitrure d'aluminium (AlN). Par rapport aux matériaux semi-conducteurs de première et de deuxième génération, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération ont une large bande passante, un champ électrique de rupture élevé, une conductivité thermique élevée, un taux de saturation des électrons élevé et une plus grande résistance aux radiations. Ils conviennent donc mieux à la fabrication de dispositifs à haute température, à haute fréquence, à haute résistance aux radiations et à haute puissance, et sont généralement appelés matériaux semi-conducteurs à large bande passante (largeur de bande supérieure à 2,2 ev), également connus sous le nom de matériaux semi-conducteurs à haute température.

Cristaux optiques

Les cristaux optiques sont utilisés comme composants optiques des cristaux, tels que le fluorure de cristal d'halogénure de lithium, le fluorure de calcium, le fluorure de magnésium, le fluorure de baryum, ils ont de bonnes caractéristiques de transmission dans l'ultraviolet et l'infrarouge, ils peuvent donc être utilisés comme fenêtre de sortie de laser excimer ultraviolet et de certains lasers infrarouges, lentille, prisme, rotor, feuille d'onde, etc.Les oxydes tels que le saphir Al2O3, le vanadate d'yttrium YVO4, le cristal, etc. peuvent également être utilisés comme fenêtre de sortie, lentille, prisme, etc. des lasers susmentionnés.

Cristal laser

Le laser est une "substance" merveilleuse, une autre grande découverte de l'humanité après l'énergie atomique, les ordinateurs et les semi-conducteurs. Comme nous le savons tous, la luminosité du laser est si élevée qu'elle peut atteindre un milliard de fois la luminosité du soleil ou même plus ; le laser est pur et monochromatique ; le laser a une collimation incomparable (propagation en ligne droite) ; et le laser a une énergie puissante, et la rafale instantanée d'énergie peut pénétrer et faire fondre même les objets les plus durs. C'est pourquoi les lasers sont largement utilisés dans la production, la vie et la recherche, et constituent un outil puissant pour l'exploration de la nature.

L'appareil qui génère la lumière laser est appelé laser. Parmi les différents lasers actuellement disponibles, les lasers à l'état solide sont les plus prometteurs. Le cristal laser (lasercristal), un matériau cristallin qui convertit l'énergie fournie par le monde extérieur en un laser hautement parallèle et monochromatique qui est cohérent dans l'espace et le temps grâce à une cavité optiquement résonnante, est la substance de travail des lasers à cristal et constitue le matériau de base pour la technologie et l'industrie des lasers à l'état solide. Les cristaux laser les plus courants sont le Nd:YAG, le Nd:YVO4, le Nd:YLF, le cristal de titane, le cristal de rubis, etc.

Cristal de scintillation

Sous l'impact de particules à haute énergie, le cristal qui peut transformer l'énergie cinétique des particules à haute énergie en énergie lumineuse et émettre de la fluorescence est appelé cristal de scintillation. Le cristal de scintillation peut être utilisé pour la détection des rayons X, des rayons γ, des neutrons et d'autres particules de haute énergie. La technologie de détection et d'imagerie basée sur le cristal de scintillation a été largement utilisée en médecine nucléaire, en physique des hautes énergies, en inspection de sécurité, en détection industrielle non destructive des défauts, en physique spatiale et en prospection nucléaire, etc. Les matériaux utilisés pour les cristaux de scintillation sont généralement cultivés par des méthodes artificielles et il en existe de nombreux types. Actuellement, les cristaux de scintillation les plus utilisés sont le BGO (abréviation du nom général du composé du système Bi2O3-GeO2, le germanate de bismuth), le CsI (iodure de césium), le PbWO4 (tungstate de plomb), etc.

Cristaux très durs

Le diamant, également appelé "diamant", est un minéral naturel et le matériau le plus dur de la nature. Il s'agit d'un cristal unique composé d'éléments de carbone, formé sous haute pression et à haute température dans les profondeurs de la terre sur une longue période. Les diamants que l'on peut trouver et extraire dans la nature sont extrêmement rares. En général, on ne peut obtenir qu'un carat de diamants finement broyés par 4 mètres cubes de minerai riche, et les diamants de grande taille, clairs comme du cristal et sans défaut, sont encore plus rares.

Depuis les années 1950, des recherches ont été menées et diverses méthodes ont été mises au point pour synthétiser le diamant artificiellement, notamment la méthode des hautes températures et des hautes pressions (HTHP), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la méthode de l'explosion, etc. En 1955, GE a utilisé la HTHP pour synthétiser des cristaux de diamant pour la première fois. Dans les années 1980, le monde a lancé un boom de la recherche sur le diamant CVD, et diverses méthodes de préparation telles que la méthode du filament chaud (HFCVD), le plasma à micro-ondes (MPCVD) et le jet de plasma à arc continu CVD ont été mises au point, jetant les bases des applications ultérieures.

La grande dureté est l'une des nombreuses caractéristiques du diamant. Grâce à sa dureté extrêmement élevée, le diamant peut être transformé en divers outils qui jouent un rôle irremplaçable dans le traitement de la pierre, des métaux non ferreux, des matériaux composites difficiles à usiner (tels que les composites à base de fibres de carbone), etc.

L'utilisation du diamant en grandes quantités a également permis d'observer ses défauts. L'un des points les plus importants est que, lors du traitement de certains matériaux durs avec du diamant, tels que le broyage d'un grand nombre d'acier et de carbure de silicium fritté, la température de surface du diamant peut atteindre 1500 ~ 2000 ℃, dans ces conditions, la résistance du diamant diminue rapidement, et il est très facile avec l'oxygène de l'air antagoniste de produire un phénomène de "brûlure" similaire. Dans le même temps, le diamant lui-même est continuellement réduit en graphite mou qui est inutile pour le broyage, conduisant ainsi à une perte très rapide du diamant. Après une exploration continue, un nouveau type de matériau superdur, le cristal de nitrure de bore cubique, a été synthétisé pour compenser les inconvénients du diamant. La structure cubique du nitrure de bore (CBN) est similaire à celle du diamant, sa dureté est légèrement inférieure à celle du diamant, mais sa stabilité thermique est beaucoup plus élevée que celle de l'acier doré, et les éléments métalliques du fer ont une plus grande stabilité chimique. Les performances de meulage des abrasifs en nitrure de bore cubique sont excellentes. Ils sont non seulement capables d'usiner des matériaux difficiles à meuler et d'améliorer la productivité, mais ils sont également chimiquement inertes, ce qui permet d'améliorer efficacement la qualité de meulage des pièces à usiner. Les deux ont leurs propres atouts et l'application réelle dépend de l'occasion.

Matériau cristallin piézoélectrique

Lorsqu'un cristal est soumis à une force extérieure, il se polarise et forme une charge de surface, un phénomène connu sous le nom d'effet piézoélectrique positif ; inversement, lorsque le cristal est soumis à un champ électrique, il se déforme, un phénomène connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse. Les cristaux ayant un effet piézoélectrique sont appelés cristaux piézoélectriques, qui n'existent que dans les cristaux sans centre de symétrie. Le premier cristal piézoélectrique découvert est le cristal (α-SiO2), qui possède la propriété de stabilité de fréquence et constitue un matériau piézoélectrique idéal pour la fabrication de résonateurs, de filtres, de transducteurs, de déflecteurs optiques, de dispositifs à ondes de surface sonores et de divers dispositifs thermiques, gazeux, photosensibles et chimiosensibles. Il est également largement utilisé dans la vie quotidienne, notamment dans les montres à quartz, les horloges électroniques, les téléviseurs couleur, les radios stéréo et les magnétophones.

Ces dernières années, de nombreux nouveaux cristaux piézoélectriques ont été développés, tels que le niobate de lithium (LiNbO3) et le niobate de potassium (KNbO3) de structures de type chalcogénure. L'effet piézoélectrique de ces cristaux permet de fabriquer divers dispositifs largement utilisés dans l'industrie militaire et civile, tels que des tensiomètres, des claviers piézoélectriques, des lignes à retard, des oscillateurs, des transducteurs à ultrasons, des transformateurs piézoélectriques, etc.

Cristaux isolés

Un exemple typique de plaquette isolante est la plaquette de mica. Le mica est un terme général désignant les minéraux silicatés en couches, qui sont isolants, transparents, résistants à la chaleur et à la corrosion, faciles à décoller et élastiques, etc. Ils sont largement utilisés dans les moteurs électriques, les appareils électriques, l'électronique, la radio et les appareils ménagers, et jouent un rôle important dans l'économie nationale et la construction de la défense nationale. Bien qu'il existe de nombreux types de mica naturel, le principal utilisé dans l'industrie est le mica blanc, suivi du mica doré.

Comme le mica synthétique possède d'excellentes caractéristiques de pureté, de transparence, de résistance aux températures élevées, de résistance à la corrosion et d'isolation électrique, la feuille de mica synthétique monocristalline peut être utilisée pour.. :

① cadre isolant dans divers appareils à vide, tels que la pédale à gaz, la chambre d'ionisation, le magnétron et le tube électronique ;

② matériau de fenêtre, tel que la fenêtre de sortie du tube à micro-ondes, la fenêtre d'observation du four à haute température et la fenêtre résistante à l'acide et à l'alcali ;

③ compteur de niveau d'eau de chaudière à haute pression dans les centrales thermiques ;

④ condensateur résistant aux températures élevées, fil de platine, squelette de thermomètre de surface, etc.

Conclusion

Stanford Advanced Materials produit des matériaux cristallins fonctionnels pour de nombreux dispositifs d'application. Les matériaux cristallins fonctionnels comprennent principalement des cristaux magnéto-optiques TGG grenat de terbium gallium, TSAG ; des cristaux piézoélectriques LT (LiTaO3) tantalate de lithium, LN (LiNbO3) nioate de lithium, LGS silicate de lanthane gallium ; des cristaux de scintillation Ce: LUAG, Ce: GAGG ; cristaux de laser Nd : YAG et cristaux de substrat épitaxial monocristallin GGG, SGGG, aluminate de lanthane LaAlO3, etc.

Les matériaux cristallins sont largement utilisés dans les dispositifs tels que les commutateurs Q d'ajustement électrique et optique, les isolateurs optiques, les rotateurs optiques, etc. Les isolateurs optiques, y compris les isolateurs d'espace libre de Faraday et les isolateurs à fibre optique, varient de la longueur d'onde 450 nm à 1100 nm.