الدليل الشامل لمواد الكريستال

يمكن للبلورات تحقيق تفاعل وتحويل الكهرباء والمغناطيسية والضوء والصوت والقوة وما إلى ذلك. إنها مادة لا غنى عنها ومهمة في تطوير العلوم والتكنولوجيا الحديثة.

ونظراً للتطور السريع للإلكترونيات الدقيقة ذات الحالة الصلبة على وجه الخصوص، هناك حاجة أكبر إلى مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد البلورية، بما في ذلك بلورات أشباه الموصلات، وبلورات الليزر ، وبلورات التلألؤ، والبلورات الضوئية، والبلورات فائقة الصلابة، والبلورات العازلة البلورات الكهرضغطية، إلخ. تحتل المواد البلورية موقع الصدارة في تطوير علوم المواد، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتقنيات الجديدة مثل الفضاء والإلكترونيات والليزر وتطوير الطاقة الجديدة والطب الحيوي. أنواع المواد البلورية وتطبيقاتها واسعة للغاية.

في هذه الورقة، سنعرض بإيجاز بعض المواد البلورية الشائعة وتطبيقاتها.

بلورات أشباه الموصلات

بلورات أشباه الموصلات هي المادة الأساسية الرئيسية لصناعة أشباه الموصلات. وهي تحتل المركز الأول بين المواد البلورية من حيث تطبيقها الواسع وأهميتها.

تم تطوير بلورات أشباه الموصلات في خمسينيات القرن العشرين، الجيل الأول من المواد التمثيلية لأشباه الموصلات: بلورة الجرمانيوم المفردة (Ge) وبلورة السيليكون المفردة (Si)، وصنعت منها مجموعة متنوعة من الثنائيات والترانزستورات وأنابيب التأثير الميداني وأجهزة التحكم في السيليكون وأنابيب الطاقة العالية وغيرها من الأجهزة، بحيث تحولت الدائرة المتكاملة من عشرات الوحدات فقط من التطور السريع للدائرة إلى احتوائها على آلاف المكونات من الدوائر المتكاملة ذات النطاق الواسع جداً، مما أدى إلى تشغيل الدائرة المتكاملة (IC) باعتبارها جوهر التطور السريع في مجال الإلكترونيات الدقيقة، مما أدى إلى تحسين موثوقية عمل الدوائر المتكاملة بشكل كبير مع تقليل التكاليف. وقد عزز بدوره التطبيق الواسع للدوائر المتكاملة في أبحاث الفضاء والأسلحة النووية والصواريخ والرادار والحاسبات الإلكترونية ومعدات الاتصالات العسكرية والتطبيقات المدنية.

مواد الجيل الثاني من أشباه الموصلات هي أشباه الموصلات المركبة وهي بشكل رئيسي زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ومضادات الإنديوم (InSb) وفوسفيد الإنديوم (InP)، والتي تستخدم بشكل رئيسي لصنع أجهزة إلكترونية عالية التردد وعالية السرعة وعالية الطاقة، وتستخدم على نطاق واسع في مجالات الاتصالات الساتلية والاتصالات المتنقلة والاتصالات البصرية. إن GaAs و InP والمواد المركبة الأخرى نادرة، وتحتاج إلى تشكيلها عن طريق التوليف، والسعر مرتفع نسبيًا، وأكثر ضررًا بالبيئة، مما يجعل من الصعب استخدامها على نطاق واسع ومحدودًا بشكل أكبر، ويتم استبدالها تدريجيًا بالجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات.

مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث هي في الأساس مواد أشباه الموصلات ذات النطاق العريض المتمثلة في كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) وأكسيد الزنك (ZnO) والماس ونتريد الألومنيوم (AlN). بالمقارنة مع الجيل الأول والجيل الثاني من مواد أشباه الموصلات، فإن مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث لديها عرض نطاق واسع، ومجال كهربائي عالي الانهيار، وموصلية حرارية عالية، ومعدل تشبع إلكتروني مرتفع، ومقاومة أعلى للإشعاع، وبالتالي فهي أكثر ملاءمة لصنع أجهزة ذات درجة حرارة عالية وتردد عالٍ ومقاومة للإشعاع وطاقة عالية، وعادة ما تسمى عادةً مواد أشباه الموصلات ذات النطاق العريض (عرض النطاق أكبر من 2.2ev)، والمعروفة أيضًا باسم مواد أشباه الموصلات ذات درجة الحرارة العالية.

البلورات الضوئية

تُستخدم البلورات الضوئية كمكونات بصرية للبلورات، مثل فلوريد هاليد الليثيوم البلوري، وفلوريد الكالسيوم، وفلوريد المغنيسيوم، وفلوريد الباريوم، ولها خصائص نقل جيدة في الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، لذلك يمكن استخدامها كنافذة إخراج ليزر إكسيمر فوق البنفسجي وبعض نوافذ ليزر الأشعة تحت الحمراء، والعدسة، والمنشور، والدوار، والصفائح الموجية، إلخ.؛ يمكن أيضًا استخدام أكاسيد مثل أكاسيد مثل الياقوت Al2O3 ، الإيتريوم فانادات YVO4 ، الكريستال ، إلخ. يمكن أيضًا استخدام أكسيد مثل الياقوت Al2O3 ، الإيتريوم فانادات YVO4 ، الكريستال ، إلخ.

كريستال الليزر

الليزر هو "مادة" رائعة، وهو اكتشاف عظيم آخر للبشرية بعد الطاقة الذرية وأجهزة الكمبيوتر وأشباه الموصلات. كما نعلم جميعًا، فإن سطوع الليزر عالٍ جدًا لدرجة أنه يمكن أن يصل إلى مليار ضعف سطوع الشمس أو حتى أعلى من ذلك؛ والليزر نقي وأحادي اللون؛ والليزر له موازاة لا تضاهى (انتشار خط مستقيم)؛ والليزر لديه طاقة قوية، ويمكن أن يخترق الانفجار اللحظي للطاقة ويذيب حتى أصعب الأجسام. ولذلك، يُستخدم الليزر على نطاق واسع في الإنتاج والحياة والأبحاث، وهو أداة قوية للناس لاستكشاف الطبيعة.

ويطلق على الجهاز الذي يولد ضوء الليزر اسم الليزر. ومن بين أجهزة الليزر المختلفة المتوفرة حالياً، تعتبر أجهزة الليزر ذات الحالة الصلبة هي الأكثر وعداً. بلورة الليزر (ليزر الكريستال)، وهي مادة بلورية تقوم بتحويل الطاقة التي يوفرها العالم الخارجي إلى ليزر شديد التوازي وأحادي اللون متماسك في المكان والزمان من خلال تجويف رنان بصرياً، وهي المادة العاملة لليزر البلوري وهي المادة الأساسية الداعمة لتكنولوجيا وصناعة ليزر الحالة الصلبة. تشمل المواد البلورية الليزرية الشائعة في الليزر Nd:YAG، Nd:YVO4، Nd:YLF، بلورة التيتانيوم الجوهرية، بلورة الياقوت، إلخ.

بلورة التلألؤ

تحت تأثير الجسيمات عالية الطاقة، يُطلق على البلورة التي يمكنها تغيير الطاقة الحركية للجسيمات عالية الطاقة إلى طاقة ضوئية وتصدر تألقًا اسم بلورة التلألؤ. ويمكن استخدام بلورة التلألؤ للكشف عن الأشعة السينية والأشعة γ-ray والنيوترونات وغيرها من الجسيمات عالية الطاقة. وقد تم استخدام تقنية الكشف والتصوير باستخدام بلورة التلألؤ كنواة على نطاق واسع في الطب النووي، والفيزياء عالية الطاقة، والتفتيش الأمني، والكشف عن العيوب الصناعية غير المدمرة والفيزياء الفضائية والتنقيب النووي، إلخ. وعادة ما يتم زراعة المواد البلورية المتلألئة التطبيقية بطرق اصطناعية، وهناك أنواع عديدة منها. في الوقت الحالي، بلورات التلألؤ الأكثر استخدامًا هي BGO (اختصار للاسم العام لمركب نظام Bi2O3-GeO2 مركب جرمانيت البزموت)، CsI (يوديد السيزيوم)، PbWO4 (تنغستات الرصاص)، إلخ.

بلورات فائقة الصلابة

الماس، ويسمى أيضاً "الماس"، هو معدن طبيعي وأصلب مادة في الطبيعة. وهو عبارة عن بلورة مفردة مكونة من عناصر الكربون تشكلت تحت ضغط عالٍ ودرجة حرارة عالية في الجزء العميق من الأرض على مدى فترة طويلة من الزمن. والألماس الذي يمكن العثور عليه واستخراجه في الطبيعة نادر للغاية، وعادةً ما يمكن الحصول على قيراط واحد فقط من الألماس المسحوق بدقة لكل 4 أمتار مكعبة من الخام الغني، أما الألماس كبير الحجم الذي يكون صافياً تماماً وخالياً من العيوب فهو أكثر ندرة.

ومنذ خمسينيات القرن العشرين، أجرى الناس أبحاثاً وطوّروا مجموعة متنوعة من الطرق لتصنيع الألماس صناعياً، ولا سيما طريقة الحرارة العالية والضغط العالي (HTHP)، والترسيب الكيميائي بالبخار (CVD)، وطريقة التفجير وغيرها. وفي عام 1955، استخدمت شركة جنرال إلكتريك تقنية HTHP لتصنيع بلورات الماس للمرة الأولى. وفي ثمانينيات القرن العشرين، أطلق العالم طفرة بحثية في مجال الألماس بالترسيب الكيميائي بالبخار CVD، وتم تطوير طرق تحضير مختلفة مثل طريقة الخيوط الساخنة (HFCVD) وبلازما الموجات الدقيقة (MPCVD) وطريقة الترسيب الكيميائي بالبخار النفاث بالبلازما DC، والتي أرست الأساس للتطبيقات اللاحقة.

تُعد الصلابة العالية إحدى الخصائص العديدة للماس. وباستخدام الصلابة العالية للغاية للماس، يمكن تحضيره في أدوات مختلفة، والتي تلعب دوراً لا يمكن الاستغناء عنه في معالجة الأحجار، والمعادن غير الحديدية، والمواد المركبة التي يصعب تصنيعها آلياً (مثل مركبات ألياف الكربون)، وما إلى ذلك، ويمكنها تحقيق معالجة فعالة وعالية الدقة وصديقة للبيئة.

في عملية استخدام الماس بكميات كبيرة، لاحظ الناس أيضًا أوجه القصور في عملية استخدام الماس بكميات كبيرة. واحدة من أبرز النقاط هي أنه عند معالجة بعض المواد الصلبة بالماس، مثل طحن عدد كبير من الفولاذ وكربيد السيليكون الملبد، فإن درجة حرارة سطح الماس تصل إلى 1500 ~ 2000 ℃، في هذه الحالة، تنخفض قوة الماس بسرعة، ومن السهل جدًا مع الأكسجين الموجود في الهواء معاداة لإنتاج ظاهرة "حرق" مماثلة. في الوقت نفسه، يتم اختزال الماس نفسه باستمرار إلى جرافيت ناعم غير مفيد للطحن، مما يؤدي إلى فقدان سريع جدًا للماس. بعد الاستكشاف المستمر للناس، تم تصنيع نوع جديد من المواد فائقة الصلابة من مادة نيتريد البورون المكعبة البلورية المكعبة لتعويض عيب الماس، الهيكل المكعب لنيتريد البورون - CBN، هيكلها البلوري مشابه للماس، والصلابة أقل قليلاً من الماس، لكن الاستقرار الحراري أعلى بكثير من الفولاذ الذهبي، وعناصر معدن الحديد لديها استقرار كيميائي أكبر. أداء طحن مواد كشط نيتريد البورون المكعبة ممتاز، وهو ليس فقط قادرًا على تصنيع المواد التي يصعب طحنها وتحسين الإنتاجية، ولكنه أيضًا خامل كيميائيًا، والذي يمكن أن يحسن بشكل فعال جودة طحن قطع العمل. كلاهما له نقاط القوة الخاصة به، ويعتمد التطبيق الفعلي على المناسبة.

المواد البلورية الكهروضغطية

عندما تتعرض البلورة لقوة خارجية، تستقطب البلورة وتشكل شحنة سطحية، وهي ظاهرة تُعرف بالتأثير الكهروضغطي الموجب؛ وعلى العكس، عندما تتعرض البلورة لمجال كهربائي مطبق، تتشوه البلورة، وهي ظاهرة تُعرف بالتأثير الكهروضغطي العكسي. تُسمى البلورات ذات التأثير الكهرضغطية بالبلورات ذات التأثير الكهروضغطي بالبلورات الكهرضغطية، وهي موجودة فقط في البلورات التي لا يوجد لها مركز تناظر. أول بلورة كهرضغطية تم اكتشافها هي بلورة (α-SiO2)، والتي تتمتع بخاصية ثبات التردد وهي مادة كهرضغطية مثالية لصنع المرنانات والمرشحات ومحولات الطاقة والعاكسات الضوئية وأجهزة الموجات السطحية الصوتية ومختلف الأجهزة الحرارية والغازية والحساسة للضوء والكيميائية. كما أنها تستخدم على نطاق واسع في الحياة اليومية للناس، مثل ساعات الكوارتز والساعات الإلكترونية وأجهزة التلفزيون الملونة وأجهزة الراديو الاستريو وأجهزة التسجيل.

في السنوات الأخيرة، تم تطوير العديد من البلورات الكهرضغطية الجديدة، مثل نيوبات الليثيوم (LiNbO3) ونيوبات البوتاسيوم (KNbO3) من الهياكل من نوع الكالكوجينيد. وباستخدام التأثير الكهروضغطي لهذه البلورات يمكن تحويلها إلى مجموعة متنوعة من الأجهزة، التي تستخدم على نطاق واسع في الصناعة العسكرية والمدنية، مثل أجهزة قياس ضغط الدم ولوحات المفاتيح الكهرضغطية وخطوط التأخير وأجهزة التذبذب ومحولات الطاقة فوق الصوتية والمحولات الكهرضغطية وما إلى ذلك.

البلورات المعزولة

من الأمثلة النموذجية للرقاقة العازلة رقاقة الميكا. الميكا هو مصطلح عام لمعادن السيليكات ذات الطبقات، وهي معادن عازلة وشفافة ومقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل وسهلة التقشير ومرنة، إلخ. وهي تُستخدم على نطاق واسع في المحركات الكهربائية والأجهزة الكهربائية والإلكترونيات والراديو والأجهزة المنزلية، وتلعب دورًا مهمًا في الاقتصاد الوطني وبناء الدفاع الوطني. على الرغم من وجود أنواع عديدة من الميكا الطبيعية، إلا أن النوع الرئيسي المستخدم في الصناعة هو الميكا البيضاء، تليها الميكا الذهبية.

نظرًا لأن الميكا الاصطناعية تتميز بخصائص ممتازة من النقاء والشفافية ومقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل والعزل الكهربائي، يمكن استخدام صفائح الميكا الاصطناعية أحادية البلورة في:

① الإطار العازل في مختلف أجهزة التفريغ، مثل دواسة الغاز، وغرفة التأين، والمغنطرون، وأنبوب الإلكترون;

② مادة النافذة، مثل نافذة إخراج أنبوب الميكروويف، ونافذة مراقبة الفرن ذات درجة الحرارة العالية، ونافذة مقاومة للأحماض والقلويات;

③ مقياس مستوى مياه الغلايات عالية الضغط في محطة الطاقة الحرارية;

④ مكثف مقاوم لدرجات الحرارة العالية، هيكل عظمي لمقياس الحرارة السطحي من الأسلاك البلاتينية، إلخ.

الخاتمة

تنتج شركة Stanford Advanced Materials مواد بلورية وظيفية للعديد من الأجهزة التطبيقية. تشمل المواد البلورية الوظيفية بشكل أساسي البلورات المغناطيسية الضوئية TGG تيربيوم غاليوم غارنيت، TSAG؛ البلورات الكهرضغطية LT (LiTaO3) ليثيوم تانتالات الليثيوم، LN (LiNbO3) ليثيوم نيوات، LGS سيليكات اللانثانوم غاليوم؛ بلورات التلألؤ Ce: LUAG، Ce: GAGG؛ بلورات الليزر Nd: YAG وبلورات الركيزة أحادية البلورة الفوقية GGG، SGG، اللانثانوم ألومينات LaAlO3، إلخ.

تُستخدم المواد البلورية على نطاق واسع في الأجهزة مثل مفاتيح الضبط الكهربائي والبصري Q، والعوازل الضوئية، والدوارات الضوئية، إلخ. تتنوع العوازل الضوئية بما في ذلك عوازل فاراداي الفضائية الحرة وعوازل الألياف من الطول الموجي 450 نانومتر إلى 1100 نانومتر.