En ciencia de materiales , un monocristal (o sólido monocristalino o sólido monocristalino ) es un material en el que la red cristalina de toda la muestra es continua e ininterrumpida hasta los bordes de la muestra, sin límites de grano . [1] La ausencia de defectos asociados con los límites de grano puede otorgar a los monocristales propiedades únicas, particularmente mecánicas, ópticas y eléctricas, que también pueden ser anisotrópicas , dependiendo del tipo de estructura cristalográfica . [2] Estas propiedades, además de hacer preciosas a algunas gemas, se utilizan industrialmente en aplicaciones tecnológicas, especialmente en óptica y electrónica. [3]
Debido a que los efectos entrópicos favorecen la presencia de algunas imperfecciones en la microestructura de los sólidos , como impurezas , deformaciones no homogéneas y defectos cristalográficos como dislocaciones , los monocristales perfectos de tamaño significativo son extremadamente raros en la naturaleza. [2] Las condiciones necesarias de laboratorio a menudo aumentan el costo de producción. Por otro lado, los monocristales imperfectos pueden alcanzar tamaños enormes en la naturaleza: se sabe que varias especies minerales como el berilo , el yeso y los feldespatos han producido cristales de varios metros de diámetro. [4] [1]
Lo opuesto a un monocristal es una estructura amorfa donde la posición atómica se limita únicamente a un orden de corto alcance. [5] Entre los dos extremos existe el policristalino , que se compone de una serie de cristales más pequeños conocidos como cristalitos , y fases paracristalinas . [6] Los monocristales suelen tener caras planas distintivas y cierta simetría, donde los ángulos entre las caras dictarán su forma ideal. Las piedras preciosas suelen ser monocristales cortados artificialmente a lo largo de planos cristalográficos para aprovechar las propiedades refractivas y reflectantes. [6]
Aunque los métodos actuales son extremadamente sofisticados con la tecnología moderna, los orígenes del crecimiento de cristales se remontan a la purificación de la sal mediante cristalización en el año 2500 a.C. Un método más avanzado que utiliza una solución acuosa se inició en el año 1600 d.C., mientras que los métodos de fusión y vapor comenzaron alrededor del año 1850 d.C. [7]
Los métodos básicos de crecimiento de cristales se pueden dividir en cuatro categorías según de qué se cultivan artificialmente: fundido, sólido, vapor y solución. [2] Las técnicas específicas para producir monocristales grandes (también conocidas como bolas ) incluyen el proceso Czochralski (CZ) , la zona flotante (o movimiento de zona) y la técnica Bridgman . El Dr. Teal y el Dr. Little de Bell Telephone Laboratories fueron los primeros en utilizar el método Czochralski para crear monocristales de Ge y Si. [8] Se pueden utilizar otros métodos de cristalización, dependiendo de las propiedades físicas de la sustancia, incluida la síntesis hidrotermal , la sublimación o simplemente la cristalización basada en disolvente . [9] Por ejemplo, se puede utilizar un método de Kyropoulos modificado para cultivar monocristales de zafiro de 300 kg de alta calidad. [10] El método Verneuil , también llamado método de fusión por llama, se utilizó a principios del siglo XX para fabricar rubíes antes de la CZ. [7] El diagrama de la derecha ilustra la mayoría de los métodos convencionales. Ha habido nuevos avances, como las deposiciones químicas de vapor (CVD), junto con diferentes variaciones y ajustes a los métodos existentes. Estos no se muestran en el diagrama.
En el caso de monocristales metálicos, las técnicas de fabricación también incluyen epitaxia y crecimiento anormal de granos en sólidos. [11] La epitaxia se utiliza para depositar capas muy delgadas (escala de micrómetros a nanómetros) del mismo o de diferentes materiales en la superficie de un monocristal existente. [12] Las aplicaciones de esta técnica se encuentran en las áreas de producción de semiconductores, con usos potenciales en otros campos nanotecnológicos y de catálisis. [13]
Es extremadamente difícil hacer crecer monocristales de polímeros. Se debe principalmente a que las cadenas de polímeros tienen diferentes longitudes y a diversas razones de entropía. Sin embargo, las reacciones topoquímicas son uno de los métodos fáciles para obtener monocristales del polímero.[1]
Uno de los monocristales más utilizados es el de silicio en la industria de los semiconductores. Los cuatro métodos principales de producción de monocristales semiconductores provienen de soluciones metálicas: epitaxia en fase líquida (LPE), electroepitaxia en fase líquida (LPEE), método del calentador móvil (THM) y difusión en fase líquida (LPD). [14] Sin embargo, hay muchos otros monocristales además de los monocristales inorgánicos con capacidad semiconductora, incluidos los semiconductores orgánicos monocristalinos .
El silicio monocristalino utilizado en la fabricación de semiconductores y energía fotovoltaica es el mayor uso de la tecnología monocristalina en la actualidad. [15] En la energía fotovoltaica, la estructura cristalina más eficiente producirá la mayor conversión de luz en electricidad. [16] En la escala cuántica en la que operan los microprocesadores , la presencia de límites de grano tendría un impacto significativo en la funcionalidad de los transistores de efecto de campo al alterar las propiedades eléctricas locales. [17] Por lo tanto, los fabricantes de microprocesadores han invertido mucho en instalaciones para producir grandes monocristales de silicio. El método Czochralski y la zona flotante son métodos populares para el crecimiento de cristales de silicio. [18]
Otros monocristales semiconductores inorgánicos incluyen GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe y ZnTe. La mayoría de estos también se pueden ajustar con diversos dopajes para obtener las propiedades deseadas. [19] El grafeno monocristalino también es muy deseado para aplicaciones en electrónica y optoelectrónica debido a su gran movilidad de portador y alta conductividad térmica, y sigue siendo un tema de ferviente investigación. [20] Uno de los principales desafíos ha sido el cultivo de monocristales uniformes de grafeno bicapa o multicapa en grandes áreas; El crecimiento epitaxial y el nuevo CVD (mencionado anteriormente) se encuentran entre los nuevos métodos prometedores que se están investigando. [21]
Los monocristales semiconductores orgánicos son diferentes de los cristales inorgánicos. Los enlaces intermoleculares débiles significan temperaturas de fusión más bajas, presiones de vapor más altas y mayor solubilidad. [22] Para que crezcan monocristales, la pureza del material es crucial y la producción de materiales orgánicos generalmente requiere muchos pasos para alcanzar la pureza necesaria. [23] Se están realizando extensas investigaciones para buscar materiales que sean térmicamente estables con alta movilidad de portadores de carga. Los descubrimientos anteriores incluyen naftaleno, tetraceno y 9,10-difenilantaceno (DPA). [24] Los derivados de trifenilamina se han mostrado prometedores y, recientemente, en 2021, la estructura monocristalina del α-fenil-4′-(difenilamino)estilbeno (TPA) cultivada mediante el método de solución mostró un potencial aún mayor para el uso de semiconductores con su agujero anisotrópico. transporte de propiedad. [25]
Los monocristales tienen propiedades físicas únicas debido a que son un solo grano con moléculas en un orden estricto y sin límites de grano. [2] Esto incluye propiedades ópticas, y los monocristales de silicio también se utilizan como ventanas ópticas debido a su transparencia en longitudes de onda infrarrojas (IR) específicas , lo que los hace muy útiles para algunos instrumentos. [5]
Zafiros : También conocidos por los científicos como fase alfa del óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), los monocristales de zafiro se utilizan ampliamente en la ingeniería de alta tecnología. Puede cultivarse a partir de fases gaseosas, sólidas o en solución. [10] El diámetro de los cristales resultantes del método de crecimiento es importante al considerar los usos electrónicos posteriores. Se utilizan para láseres y óptica no lineal . Algunos usos notables son la ventana de un lector biométrico de huellas dactilares, discos ópticos para almacenamiento de datos a largo plazo e interferómetro de rayos X. [2]
Fosfuro de indio : estos monocristales son particularmente apropiados para combinar optoelectrónica con electrónica de alta velocidad en forma de fibra óptica con sus sustratos de gran diámetro. [26] Otros dispositivos fotónicos incluyen láseres, fotodetectores, fotodiodos de avalancha, moduladores y amplificadores ópticos, procesamiento de señales y circuitos integrados tanto optoelectrónicos como fotónicos. [27]
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Germanio : Este fue el material del primer transistor inventado por Bardeen, Brattain y Shockley en 1947. Se utiliza en algunos detectores de rayos gamma y en ópticas infrarrojas. [28] Ahora se ha convertido en el foco de los dispositivos electrónicos ultrarrápidos por su intrínseca movilidad portadora. [27]
Arsenuro : El arseniuro III se puede combinar con varios elementos como B, Al, Ga e In, y el compuesto GaAs tiene una gran demanda para las obleas. [27]
Telururo de cadmio : los cristales de CdTe tienen varias aplicaciones como sustratos para imágenes IR, dispositivos electroópticos y células solares . [29] Al alear CdTe y ZnTe se pueden fabricar detectores de rayos X y rayos gamma a temperatura ambiente. [27]
Sorprendentemente, los metales pueden producirse en forma monocristalina y proporcionar un medio para comprender el rendimiento final de los conductores metálicos. Es vital para comprender las ciencias básicas como la química catalítica, la física de superficies, los electrones y los monocromadores . [4] La producción de monocristales metálicos exige los más altos requisitos de calidad y se cultivan o extraen en forma de varillas. [30] Ciertas empresas pueden producir geometrías, ranuras, agujeros y caras de referencia específicas junto con diferentes diámetros. [19]
De todos los elementos metálicos, la plata y el cobre tienen la mejor conductividad a temperatura ambiente, lo que establece el listón de rendimiento. [31] El tamaño del mercado y las variaciones en la oferta y los costos han proporcionado fuertes incentivos para buscar alternativas o encontrar maneras de utilizar menos de ellas mejorando el rendimiento.
La conductividad de los conductores comerciales a menudo se expresa en relación con el Estándar Internacional de Cobre Recocido , según el cual el alambre de cobre más puro disponible en 1914 medía alrededor del 100%. El alambre de cobre moderno más puro es mejor conductor y mide más del 103% en esta escala. Las ganancias provienen de dos fuentes. En primer lugar, el cobre moderno es más puro. Sin embargo, esta vía de mejora parece haber llegado a su fin. Hacer que el cobre sea más puro aún no supone una mejora significativa. En segundo lugar, se han mejorado el recocido y otros procesos. El recocido reduce las dislocaciones y otros defectos cristalinos que son fuentes de resistencia. Pero los alambres resultantes siguen siendo policristalinos. Los límites de grano y los defectos cristalinos restantes son responsables de cierta resistencia residual. Esto puede cuantificarse y comprenderse mejor examinando cristales individuales.
Como se anticipó, el cobre monocristalino demostró tener mejor conductividad que el cobre policristalino. [32]
Sin embargo, el cobre monocristalino no sólo se convirtió en un mejor conductor que la plata policristalina de alta pureza, sino que, con un tratamiento térmico y de presión prescritos, podía superar incluso a la plata monocristalina. Aunque las impurezas suelen ser malas para la conductividad, un monocristal de plata con una pequeña cantidad de sustituciones de cobre resultó ser el mejor.
A partir de 2009, no se fabrica industrialmente cobre monocristalino a gran escala, pero se explotan métodos para producir tamaños de cristales individuales muy grandes para conductores de cobre para aplicaciones eléctricas de alto rendimiento. Estos pueden considerarse metacristales simples con solo unos pocos cristales por metro de longitud.
Otra aplicación de los sólidos monocristalinos es la ciencia de materiales en la producción de materiales de alta resistencia con baja fluencia térmica , como los álabes de turbinas . [36] Aquí, la ausencia de límites de grano en realidad produce una disminución en el límite elástico, pero lo que es más importante, disminuye la cantidad de fluencia, que es crítica para aplicaciones de piezas de alta tolerancia y alta temperatura. [37] El investigador Barry Piearcey descubrió que una curvatura en ángulo recto en el molde de fundición disminuiría el número de cristales columnares y, más tarde, el científico Giamei utilizó esto para iniciar la estructura monocristalina de la pala de la turbina. [38]
Los monocristales son esenciales en la investigación, especialmente en la física de la materia condensada y en todos los aspectos de la ciencia de los materiales , como la ciencia de superficies . [2] El estudio detallado de la estructura cristalina de un material mediante técnicas como la difracción de Bragg y la dispersión de átomos de helio es más fácil con cristales individuales porque es posible estudiar la dependencia direccional de varias propiedades y compararlas con predicciones teóricas. [39] Además, las técnicas de promediación macroscópica, como la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular o la difracción de electrones de baja energía, sólo son posibles o significativas en superficies de cristales individuales. [40] [41] En superconductividad ha habido casos de materiales en los que la superconductividad solo se observa en muestras monocristalinas. [42] Pueden cultivarse para este propósito, incluso cuando el material solo se necesita en forma policristalina .
Por ello, se están estudiando numerosos materiales nuevos en su forma monocristalina. El joven campo de las estructuras organometálicas (MOF) es uno de los muchos que califican para tener monocristales. En enero de 2021, el Dr. Dong y el Dr. Feng demostraron cómo se pueden optimizar los ligandos aromáticos policíclicos para producir grandes monocristales de MOF 2D de tamaños de hasta 200 μm. Esto podría significar que los científicos pueden fabricar dispositivos monocristalinos y determinar la conductividad eléctrica intrínseca y el mecanismo de transporte de carga. [43]
El campo de la transformación fotoimpulsada también puede estar involucrado con monocristales con algo llamado transformaciones de monocristal a monocristal (SCSC). Estos proporcionan observación directa del movimiento molecular y comprensión de detalles mecanicistas. [44] Este comportamiento de conmutación de fotos también se ha observado en investigaciones de vanguardia sobre imanes de molécula única (SMM) de lantánidos mononucleares intrínsecamente no fotorresponsivos. [45]
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