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“才貌雙全”的功能晶體材料及其制備技術
2020年12月18日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:86
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晶體是一類非常奇妙的物體,它是如此精致與完美,可以讓人愛不釋手,更使人感悟到晶體的自然或人工之力的偉大-施爾畏先生。除了美之外,功能晶體材料還是高新技術不可或缺的重要材料哦。

天然的,美!

晶體

人工的,也美!

晶體

圖片來源:安徽科瑞思創晶體材料

天然的晶體VS人工晶

隨著著科技進步和社會發展,人們對于功能晶體需求的數量和品種越來越大,然而晶體作為地球億萬年來逐漸積累的自然資源,其儲量是有限的,由于自然條件的自發性,天然晶體不可避免有各種缺陷,其純凈度和單晶性也遠也遠不能和人工晶體相比。由于地球在演化過程中條件,地球在演化過程中條件屬于自然條件,不長出那些只有極端條件下才能生長的晶體。

晶體

想撿鉆石的MM,建議經常去火山口附近溜達。全世界的鉆石勘探隊幾乎都是在火山口附近發現金剛石礦的

人工晶體具有較高的完整性,包括結構完整性和組成完整性等;具有可控的生長規律和生長習性;在適當的環境和設備條件下,可合成出具有較高實用價值或滿足特定需要的晶體,,也可根據應用對象的性能需求,生長出滿足特定應用要求的人工晶體來,包括自然界不存在的晶體品種。人工晶體材料科學的發展給讓材料世界變得更加精彩,正是有了多樣功能的人工晶體材料才有了五彩斑斕的光電子時代。

晶體

人工合成的立方氧化鋯也有類似金剛石的光彩!由于形成條件的限制,大而完整的單晶礦物相當稀少,某些特別罕見的寶石單晶(如鉆石,紅寶石)多數形成了稀奇的收藏品、名貴的裝飾品和博物館中的展覽品,畢竟古往今來都是物以稀為貴嘛。雖然人工的大大大寶石收藏價值不大,但是作為裝飾品而言,顏值管夠。

各種人工晶體功能材料

發現一些單晶體具有寶貴的物理性質及其在技術上的應用價值是最近一個世紀的事。隨著生產和科學技術的發展,人們對單晶體的需要日益增加。例如加工工業需要大量的金剛石,精密儀表和鐘表工業需要大量紅寶石做軸承,光學工業大量冰洲石制造偏光鏡,超聲和壓電技術需要大量的壓電水晶等等。但天然的單晶礦物無論是在品種數量還質量上都不能滿足日益增長的需要,于是人們就想方設法用人工合成單晶,這也促進了合成晶體工業的發展。

晶體

人工晶體:物性交互與交互及轉換的載體

人工晶體作為一類重要的功能材料,它能實現光、電、聲、磁、熱、力等不同能量形式的交互及轉換,在現代科學技術中很多功能晶體材料貫穿高新技術的許多領域,已經成為微電子、光學、激光、遙感、通訊、航天等高技術發展的重要物質基礎,處于新材料科學發展的前沿。如下是各種功能的人工晶體。

晶體

各種各種功能的人工晶體

1、光功能晶體--與光現象相關聯的無機晶體

在外場(電、光、磁、熱、聲、力等)作用下,利用材料本身光學性質(如折射率、感應電極化或非線性效應等)發生變化,實現對入射光信號的獲取、調制、傳輸、顯示、能量或頻率轉換、受激發射等目的無機晶體之總稱。有光學晶體、

電光晶體、聲光晶體、磁光晶體、激光晶體、非線性晶體、光折變晶體閃爍晶體等。

晶體

部分人光學晶體

圖片來源:安徽科瑞思創晶體材料

2、壓電晶體

有一類十分有趣的晶體,當你對它擠壓或拉伸時,它的兩端就會產生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應,能產生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。

晶體

正壓電效應&逆壓電效應

晶體

天然滴水晶SiO2單晶體

水晶(α-石英)是一種有名的壓電晶體。如果按一定方向對水晶晶體上切下的薄片施加壓力,那么在此薄片上將會產生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片,在此薄片上也會出現電荷,不過符號相反。擠壓或拉伸的力愈大,晶體上的電荷也會愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極,并通以交流電,那么薄片將會作周期性的伸長或縮短,即開始振動。這種逆壓電效應在科學技術中已得到了廣泛的應用。用水晶可以制作壓電石英薄片,其面積不過數平方毫米,厚度則只有零點幾毫米。別小看這小小的晶片,它在無線電技術中卻發揮著巨大作用。如前所述,在交變電場中,這種薄片的振動頻率絲毫不變。這種穩定不變的振動正是無線電技術中控制頻率所必須的,你家中的彩色電視機等許多電器設備中都有用壓電晶片制作的濾波器,保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子表中有一個核心部件叫石英振子。就是這個關鍵部件保證了石英表比其他機械表更高的走時準確度。

石英壓電晶體VS壓電陶瓷

晶體

3、半導體晶體

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用,如二極管就是采用半導體制作的器件。半導體是重要的晶體,半導體材料幾乎都是晶體。電子工業的發展對材料的需求是促進半導體材料及工藝技術研究和開拓的強大動力,而材料質量的提高和新型半導體材料的出現以及工藝進步反之也會推動電子工業往前發展。一個大家明顯感覺得到的是,電腦處理數據的速度越來越牛,而體積也越來越小,人人都持有的“貴重物品”更是從大哥大變成了多功能的智能手機,沒有半導體技術的提升,一切都將停擺,如上只是兩個生活中的常見案例,更多相關說明查看相關閱讀:1、第2、第3代半導體材料,后浪強勁但打不死前浪

絕緣體、半導體、導體

晶體

單質半導體&化合物半導體

半導體的用途

4、熱釋電晶體--黑夜中明亮的眼睛

當溫度發生變化時,晶體某一結晶學方向上正負電荷相對重心位移而引起自發極化效應,這類晶體為熱釋電晶體。利用晶體的熱釋電效應可以制作各種探測器件,除夜視外,還可做體溫計、輻射測量計,紅外熱像儀可以做醫療診斷,導彈前面安裝的紅外致導裝置成為導彈緊盯目標的“殺手锏”,熱釋電晶體的用途不可謂不廣。

科學研究表明,物體發熱時均會產生一種肉眼看不見的光線,稱為紅外光線。其波長范圍在0.76~1000微米之間。在通常情況下,一切發熱的物體都會輻射出紅外線,人體也不例外。利用熱釋電晶體做成的熱釋電元件,再配以電子、機械等元件就可以制作紅外夜視儀。各種物體(包括人體)由于本身溫度和發射紅外線的本領不一樣.實際發射的紅外線波長和強度不一樣。在黑夜中,這樣的紅外
線輻射已經勾畫出夜幕掩蓋下的生動世界。我們可以用熱釋電晶體成像管配以高超的電子、圖像技術,在人們的眼前顯現出周圍的一切,為人們在夜幕中裝上了明亮的眼睛。

晶體

熱釋晶體大多是一些鐵電極性晶體,由于器件性能要求很薄的晶片,因而加工制作工藝較復雜。近年來曾發現一些鐵電陶瓷和高電壓下極化的鐵電有機薄膜亦具有熱釋電性能,并被用以制作熱釋電器件。與這些材料相比,熱釋電晶體性能穩定可靠,探測靈敏度高。有熱釋電效應的材料超過千種,但真正符合應用的只有幾種。其中硫酸三甘肽(TGS)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鍶鋇(SBN)、鈦酸鉛(PbTiO3)和聚偏氟乙烯PVF2)是最重要的幾種,其中硫酸三甘肽或稱三甘氨酸硫酸鹽,是一類最重要最常用的熱釋電晶體。

晶體

鈮酸鋰晶體

圖片來源:焦作科爾光電科技

5、超硬晶體

超硬晶體目前主要指的是金剛石及立方氮化硼,利用其硬的指標成各種。兩者材料各有特點,適用于不同的應用場合。

鉆石也稱之為“金剛石”,是一種天然礦物,是目前已知自然界中最為堅硬的物質,鉆石是在地球深部高壓、高溫條件下,經過很長時間形成的一種由碳元素組成的單質晶體。硬度大是金剛石眾多特點之一,金剛石刀具在許多領域可實現高效、高精度、環保的加工。當用金剛石加工一些硬度較高的材料,例如在研磨大量鋼材和燒結過的碳化硅時,金剛石的表面溫度高達1500~2000℃,在這種條件下,金剛石的強度迅速下降,并且極易與空氣中的氧反立產生類似“燃燒”的現象,從而導致金剛石的損耗極快,立方結構的氮化硼-CBN,其晶體結構類似金剛石,硬度略低于金剛石,但熱穩定性遠高于金鋼石,對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性,可以作為金剛石的補充。

人工晶體的制備

目前人工晶體在品種、質量、數量方面已遠遠超過了天然晶體。人工晶體的合成(生長)既是一門技藝,又是一門科學。由于晶體需要在不同狀態和條件下生成,加上應用對人工晶體的質量要求十分苛刻,因而造成了人工合成品體方法和技術的多樣性以及生長條件和設備的復雜性。如果說生長設備是晶體生長的"硬件",那么晶體生長技藝就是它的"軟件"。如下為單晶生長方法的匯總表,更多內容請關注粉體圈后續文章更新。

晶體

編輯:Alpha


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