एकल क्रिस्टल

पदार्थ विज्ञान में, एकल क्रिस्टल एक ऐसी सामग्री है जिसमें पूरे नमूने की क्रिस्टल लैटिस निरंतर और नमूने के किनारों तक अखंड होती है, जिसमें कण की कोई सीमा नहीं होती है।

कण की सीमाओं से जुड़े दोषों की अनुपस्थिति मोनोक्रिस्टल को अद्वितीय गुण दे सकती है, विशेष रूप से यांत्रिक, ऑप्टिकल और विद्युत, जो क्रिस्टलोग्राफिक संरचना के प्रकार के आधार पर अनिसोट्रोपिक भी हो सकती है। विशेष रूप से प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स में कुछ रत्नों को कीमती बनाने के अलावा, इन गुणों का उपयोग औद्योगिक रूप से तकनीकी अनुप्रयोगों में भी किया जाता है।

क्योंकि एन्ट्रोपिक प्रभाव ठोस पदार्थों की सूक्ष्म संरचना में कुछ खामियों की उपस्थिति का पक्ष लेते हैं, जैसे कि अशुद्धियाँ, अमानवीय तनाव और क्रिस्टलोग्राफिक दोष जैसे कि अव्यवस्था, सार्थक आकार के पूर्ण एकल क्रिस्टल प्रकृति में अत्यधिक दुर्लभ हैं। प्रयोगशाला प्रायः उत्पादन की लागत को जोड़ती हैंl दूसरी ओर, अपूर्ण एकल क्रिस्टल प्रकृति में विशाल आकार तक पहुंच सकते हैं: कई खनिज प्रजातियां जैसे बेरिल, जिप्सम और फेल्डस्पार कई मीटर के पार क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए जाने जाते हैं। चूँकि एन्ट्रापी प्रभाव ठोस पदार्थों की सूक्ष्म संरचना में कुछ खामियों की उपस्थिति का पक्ष लेते हैं, जैसे कि अशुद्धता, अमानवीय तनाव और क्रिस्टलोग्राफिक दोष जैसे  अव्यवस्था, सार्थक आकार के पूर्ण एकल क्रिस्टल प्रकृति में अत्यधिक दुर्लभ हैं। आवश्यक प्रयोगशाला स्थितियां अक्सर उत्पादन की लागत में इजाफा करती हैं। दूसरी ओर, अपूर्ण एकल क्रिस्टल प्रकृति में विशाल आकार तक पहुंच सकते हैं: कई  खनिज प्रजातियां जैसे  फीरोज़ा ,  जिप्सम और  स्फतीय कई मीटर के पार क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए जाने जाते हैं।  दो चरम सीमाओं के बीच में पॉली स्फटिक ाइन मौजूद है, जो कई छोटे क्रिस्टल से बना होता है जिन्हें  पाली क्रिस्टलीय   पैराक्रिस्टलाइन  चरणों के रूप में जाना जाता है। सिंगल क्रिस्टल में आमतौर पर विशिष्ट समतल फलक और कुछ समरूपता होगी, जहां चेहरों के बीच के कोण इसके आदर्श आकार को निर्धारित करेंगे। अपवर्तक और परावर्तक गुणों का लाभ उठाने के लिए रत्न अक्सर क्रिस्टलोग्राफिक विमानों के साथ कृत्रिम रूप से कटे हुए एकल क्रिस्टल होते हैं।

छोटा सम्मिलित उत्पादन के तरीके/छोटासम्मिलित
यद्यपि आधुनिक तकनीक के साथ वर्तमान विधियां अत्यंत परिष्कृत हैं, क्रिस्टल विकास की उत्पत्ति 2500 ईसा पूर्व में क्रिस्टलीकरण द्वारा नमक शुद्धिकरण के लिए वापस खोजी जा सकती है। जलीय घोल का उपयोग करने वाली एक अधिक उन्नत विधि 1600 CE में शुरू की गई थी, जबकि पिघल और वाष्प विधियाँ 1850 CE के आसपास शुरू हुईं। बुनियादी क्रिस्टल विकास विधियों को चार श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है, जिसके आधार पर वे कृत्रिम रूप से उगाए जाते हैं: पिघल, ठोस, वाष्प और घोल। बड़े एकल क्रिस्टल (उर्फ बाउल (क्रिस्टल) ) का उत्पादन करने के लिए विशिष्ट तकनीकों में शामिल हैं  Czochralski प्रक्रिया  | Czochralski प्रक्रिया (CZ), फ्लोटिंग ज़ोन (या ज़ोन मूवमेंट), और ब्रिजमैन-स्टॉकबर्गर तकनीक। डॉ. टील और डॉ. लिटिल ऑफ़ बेल टेलीफ़ोन लेबोरेटरीज ने सबसे पहले Ge और Si सिंगल क्रिस्टल बनाने के लिए Czochralski पद्धति का उपयोग किया था। क्रिस्टलीकरण के अन्य तरीकों का उपयोग पदार्थ के भौतिक गुणों के आधार पर किया जा सकता है, जिसमें जलतापीय संश्लेषण,  उच्च बनाने की क्रिया (रसायन विज्ञान) , या बस पुनर्रचना (रसायन विज्ञान) | विलायक-आधारित क्रिस्टलीकरण शामिल हैं। उदाहरण के लिए, एक संशोधित Kyropoulos विधि का उपयोग उच्च गुणवत्ता वाले 300 किलो नीलम एकल क्रिस्टल को विकसित करने के लिए किया जा सकता है। वर्न्युइल विधि, जिसे ज्वाला-संलयन विधि भी कहा जाता है, का उपयोग 1900 की शुरुआत में CZ से पहले माणिक बनाने के लिए किया गया था। दाईं ओर का चित्र अधिकांश पारंपरिक तरीकों को दिखाता है। रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) जैसी नई सफलताओं के साथ-साथ विभिन्न विविधताएँ और मौजूदा तरीकों में बदलाव आया है। इन्हें आरेख में नहीं दिखाया गया है।

धातु एकल क्रिस्टल के मामले में, निर्माण तकनीकों में ठोस पदार्थों में एपिटॉक्सी  और असामान्य अनाज वृद्धि भी शामिल है। एपिटैक्सी का उपयोग मौजूदा एकल क्रिस्टल की सतह पर समान या विभिन्न सामग्रियों की बहुत पतली (माइक्रोमीटर से नैनोमीटर स्केल) परतों को जमा करने के लिए किया जाता है। इस तकनीक के अनुप्रयोग अर्धचालक उत्पादन के क्षेत्रों में निहित हैं, अन्य नैनोटेक्नोलॉजिकल क्षेत्रों और उत्प्रेरण में संभावित उपयोगों के साथ।

लघुसम्मिलितअर्धचालक उद्योग/छोटासम्मिलित
सेमीकंडक्टर उद्योग में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले एकल क्रिस्टल में से एक सिलिकॉन है। अर्धचालक एकल क्रिस्टल के लिए चार मुख्य उत्पादन विधियां धातु समाधान से होती हैं: तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई), तरल चरण इलेक्ट्रोएपिटैक्सी (एलपीईई), यात्रा हीटर विधि (टीएचएम), और तरल चरण प्रसार (एलपीडी)। हालांकि, एकल-क्रिस्टल कार्बनिक अर्धचालक सहित अकार्बनिक एकल क्रिस्टल सक्षम अर्धचालक के अलावा कई अन्य एकल क्रिस्टल हैं। निर्माण (अर्धचालक) और  फोटोवोल्टिक  में प्रयुक्त  मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन  आज सिंगल-क्रिस्टल तकनीक का सबसे बड़ा उपयोग है। फोटोवोल्टिक में, सबसे कुशल क्रिस्टल संरचना उच्चतम प्रकाश-से-विद्युत रूपांतरण उत्पन्न करेगी।  माइक्रोप्रोसेसर ों द्वारा संचालित  क्वांटम यांत्रिकी  पैमाने पर, अनाज की सीमाओं की उपस्थिति का स्थानीय विद्युत गुणों को बदलकर क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर की कार्यक्षमता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ेगा। इसलिए, माइक्रोप्रोसेसर फैब्रिकेटर ने सिलिकॉन के बड़े सिंगल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए सुविधाओं में भारी निवेश किया है। Czochralski विधि और फ्लोटिंग ज़ोन सिलिकॉन क्रिस्टल के विकास के लिए लोकप्रिय तरीके हैं। अन्य अकार्बनिक यौगिक  अर्धचालक एकल क्रिस्टल में GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, और ZnTe शामिल हैं। इनमें से अधिकांश को वांछित गुणों के लिए विभिन्न  डोपिंग (अर्धचालक)  के साथ भी जोड़ा जा सकता है। सिंगल-क्रिस्टल  ग्राफीन  भी इलेक्ट्रॉनिक्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक वांछित है, इसकी बड़ी वाहक गतिशीलता और उच्च तापीय चालकता के साथ, और उत्कट अनुसंधान का विषय बना हुआ है। मुख्य चुनौतियों में से एक बड़े क्षेत्रों में बिलीयर या बहुपरत ग्राफीन के एक समान एकल क्रिस्टल का बढ़ना है; एपिटैक्सियल ग्रोथ और नया सीवीडी (ऊपर उल्लिखित) जांच के तहत नए आशाजनक तरीकों में से हैं। कार्बनिक अर्धचालक एकल क्रिस्टल अकार्बनिक क्रिस्टल से भिन्न होते हैं। कमजोर इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड का मतलब है कम पिघलने वाला तापमान, और उच्च वाष्प दबाव और अधिक घुलनशीलता। एकल क्रिस्टल के बढ़ने के लिए, सामग्री की शुद्धता महत्वपूर्ण है और कार्बनिक पदार्थों के उत्पादन में आवश्यक शुद्धता तक पहुंचने के लिए आमतौर पर कई चरणों की आवश्यकता होती है। उच्च चार्ज-वाहक गतिशीलता के साथ ऊष्मीय रूप से स्थिर सामग्री की तलाश के लिए व्यापक शोध किया जा रहा है। पिछली खोजों में नेफ़थलीन, टेट्रासीन, और 9,10-डिपेनिलेंथेसीन (डीपीए) शामिल हैं। ट्राइफेनिलमाइन डेरिवेटिव ने वादा दिखाया है, और हाल ही में 2021 में, समाधान विधि का उपयोग करके उगाए गए α-फेनिल -4′- (डिफेनिलमिनो) स्टिलबेन (टीपीए) की एकल-क्रिस्टल संरचना ने अर्धचालक उपयोग के लिए अपनी एनिस्ट्रोपिक होल ट्रांसपोर्ट प्रॉपर्टी के साथ और भी अधिक क्षमता प्रदर्शित की।

छोटासम्मिलितऑप्टिकल अनुप्रयोग/छोटासम्मिलित
विशाल मोनोपोटेशियम फॉस्फेट, पोटेशियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट,  एलएलएनएल  में एक सुपरसेटेशन जलीय घोल में  बीज क्रिस्टल  से उगाया गया क्रिस्टल जिसे स्लाइस में काटा जाता है और  आवृत्ति दोहरीकरण  और ट्रिपलिंग के लिए राष्ट्रीय इग्निशन सुविधा पर उपयोग किया जाता है। एकल क्रिस्टल में अद्वितीय भौतिक गुण होते हैं। एक सख्त क्रम में अणुओं के साथ एक अनाज होने के नाते और अनाज की कोई सीमा नहीं है। इसमें ऑप्टिकल गुण शामिल हैं, और सिलिकॉन के एकल क्रिस्टल का उपयोग ऑप्टिकल विंडो के रूप में भी किया जाता है क्योंकि विशिष्ट  अवरक्त  | इन्फ्रारेड (IR) तरंग दैर्ध्य में इसकी पारदर्शिता के कारण, यह कुछ उपकरणों के लिए बहुत उपयोगी है।

नीलम : एल्युमिनियम ऑक्साइड के अल्फा चरण के रूप में बेहतर जाना जाता है (Al2O3) वैज्ञानिकों द्वारा, उच्च तकनीक इंजीनियरिंग में नीलम एकल क्रिस्टल का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इसे गैसीय, ठोस या विलयन चरणों से उगाया जा सकता है। इलेक्ट्रॉनिक उपयोग के बाद विचार करते समय विकास विधि से उत्पन्न क्रिस्टल का व्यास महत्वपूर्ण होता है। उनका उपयोग लेज़र  और  अरेखीय प्रकाशिकी  के लिए किया जाता है। कुछ उल्लेखनीय उपयोग बायोमेट्रिक फिंगरप्रिंट रीडर की खिड़की, लंबी अवधि के डेटा भंडारण के लिए ऑप्टिकल डिस्क और एक्स-रे इंटरफेरोमीटर के रूप में हैं।

ईण्डीयुम फास्फाइड : ये एकल क्रिस्टल अपने बड़े-व्यास वाले सबस्ट्रेट्स के साथ ऑप्टिकल फाइबर के रूप में उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के संयोजन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं। रेफरीसम्मिलित/refसम्मिलित अन्य फोटोनिक उपकरणों में लेजर, फोटोडेटेक्टर, हिमस्खलन फोटो डायोड, ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर और एम्पलीफायर, सिग्नल प्रोसेसिंग, और ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक और फोटोनिक एकीकृत सर्किट दोनों शामिल हैं। जर्मेनियम : 1947 में बार्डीन, ब्रेटेन और शॉक्ले द्वारा आविष्कार किए गए पहले ट्रांजिस्टर में यह सामग्री थी। इसका उपयोग कुछ गामा-रे डिटेक्टरों और अवरक्त प्रकाशिकी में किया जाता है। अब यह अपने आंतरिक वाहक गतिशीलता के लिए अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का केंद्र बन गया है।

आर्सेनाइड खनिज : आर्सेनाइड III को विभिन्न तत्वों जैसे बी, अल, गा और इन के साथ जोड़ा जा सकता है, जिसमें GaAs यौगिक वेफर्स की उच्च मांग में है।

कैडमियम टेलुराइड : सीडीटीई क्रिस्टल में आईआर इमेजिंग, इलेक्ट्रोऑप्टिक उपकरणों और कैडमियम टेलुराइड फोटोवोल्टिक ्स के लिए सब्सट्रेट के रूप में कई अनुप्रयोग हैं। सीडीटीई और जेडएनटीई को मिलाकर कमरे के तापमान के एक्स-रे और गामा-रे डिटेक्टर बनाए जा सकते हैं।

छोटासम्मिलितविद्युत कंडक्टर/छोटासम्मिलित
धातुओं को आश्चर्यजनक रूप से एकल-क्रिस्टल रूप में उत्पादित किया जा सकता है और धात्विक कंडक्टरों के अंतिम प्रदर्शन को समझने का एक साधन प्रदान करता है। उत्प्रेरक रसायन विज्ञान, सतह भौतिकी, इलेक्ट्रॉनों और मोनोक्रोमेटर ्स जैसे बुनियादी विज्ञान को समझने के लिए यह महत्वपूर्ण है। धात्विक एकल क्रिस्टल के उत्पादन में उच्चतम गुणवत्ता की आवश्यकताएं होती हैं और छड़ के रूप में उगाई या खींची जाती हैं। कुछ कंपनियां अलग-अलग व्यास के साथ विशिष्ट ज्यामिति, खांचे, छेद और संदर्भ चेहरे का उत्पादन कर सकती हैं।

सभी धातु तत्वों में से, चांदी और तांबे में कमरे के तापमान पर सबसे अच्छी विद्युत चालकता होती है, जो प्रदर्शन के लिए बार सेट करती है। बाजार के आकार और आपूर्ति और लागत में उतार-चढ़ाव ने विकल्पों की तलाश करने या प्रदर्शन में सुधार करके उनमें से कम उपयोग करने के तरीके खोजने के लिए मजबूत प्रोत्साहन प्रदान किए हैं।

वाणिज्यिक कंडक्टरों की चालकता अक्सर अंतर्राष्ट्रीय एनील्ड कॉपर मानक के सापेक्ष व्यक्त की जाती है, जिसके अनुसार 1914 में उपलब्ध शुद्धतम तांबे के तार को लगभग 100% मापा जाता है। शुद्धतम आधुनिक तांबे का तार एक बेहतर कंडक्टर है, जो इस पैमाने पर 103% से अधिक मापता है। लाभ दो स्रोतों से है। सबसे पहले, आधुनिक तांबा अधिक शुद्ध है। हालांकि, सुधार का यह रास्ता अब खत्म होता नजर आ रहा है। तांबे को शुद्ध बनाने से अभी भी कोई महत्वपूर्ण सुधार नहीं हुआ है। दूसरा, एनीलिंग (धातु विज्ञान)  और अन्य प्रक्रियाओं में सुधार किया गया है। एनीलिंग अव्यवस्था और अन्य क्रिस्टल दोषों को कम करता है जो प्रतिरोध के स्रोत हैं। लेकिन परिणामी तार अभी भी पॉलीक्रिस्टलाइन हैं। कुछ अवशिष्ट प्रतिरोध के लिए अनाज की सीमाएं और शेष क्रिस्टल दोष जिम्मेदार हैं। एकल क्रिस्टल की जांच करके इसे मात्राबद्ध और बेहतर ढंग से समझा जा सकता है।

जैसा कि अनुमान लगाया गया था, एकल-क्रिस्टल तांबे में पॉलीक्रिस्टलाइन तांबे की तुलना में बेहतर चालकता साबित हुई। हालांकि, सिंगल-क्रिस्टल कॉपर न केवल उच्च शुद्धता वाले पॉलीक्रिस्टलाइन सिल्वर की तुलना में बेहतर कंडक्टर बन गया, बल्कि निर्धारित हीट और प्रेशर ट्रीटमेंट के साथ सिंगल-क्रिस्टल सिल्वर को भी पार कर सकता है। हालांकि अशुद्धता आमतौर पर चालकता के लिए खराब होती है, तांबे के प्रतिस्थापन की एक छोटी मात्रा के साथ एक चांदी का एकल क्रिस्टल सबसे अच्छा साबित हुआ। 2009 तक, औद्योगिक रूप से बड़े पैमाने पर एकल-क्रिस्टल तांबे का निर्माण नहीं किया गया था, लेकिन तांबे के कंडक्टरों के लिए बहुत बड़े व्यक्तिगत क्रिस्टल आकार के उत्पादन के तरीकों का उपयोग उच्च प्रदर्शन वाले विद्युत अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। इन्हें केवल कुछ क्रिस्टल प्रति मीटर लंबाई के साथ मेटा-एकल क्रिस्टल माना जा सकता है।

छोटासम्मिलितएकल-क्रिस्टल टरबाइन ब्लेड्स /छोटासम्मिलित
एकल-क्रिस्टल ठोस का एक अन्य अनुप्रयोग सामग्री विज्ञान में कम तापीय रेंगना (विरूपण)  के साथ उच्च शक्ति सामग्री के उत्पादन में है, जैसे टरबाइन ब्लेड। यहां, अनाज की सीमाओं की अनुपस्थिति वास्तव में उपज शक्ति में कमी देती है, लेकिन इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि रेंगने की मात्रा कम हो जाती है जो उच्च तापमान, निकट सहिष्णुता भाग अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ता बैरी पिएर्सी ने पाया कि कास्टिंग मोल्ड पर एक समकोण मोड़ स्तंभ क्रिस्टल की संख्या को कम कर देगा और बाद में, वैज्ञानिक जियामी ने टरबाइन ब्लेड की एकल-क्रिस्टल संरचना को शुरू करने के लिए इसका इस्तेमाल किया।

छोटासम्मिलितअनुसंधान में/छोटासम्मिलित
एकल क्रिस्टल अनुसंधान में विशेष रूप से संघनित-पदार्थ भौतिकी और सामग्री विज्ञान के सभी पहलुओं जैसे सतह विज्ञान के लिए आवश्यक हैं। ब्रैग विवर्तन  और हीलियम परमाणु बिखरने जैसी तकनीकों द्वारा सामग्री की क्रिस्टल संरचना का विस्तृत अध्ययन एकल क्रिस्टल के साथ आसान है क्योंकि विभिन्न गुणों की दिशात्मक निर्भरता का अध्ययन करना और सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ तुलना करना संभव है। इसके अलावा, मैक्रोस्कोपिक रूप से औसत तकनीक जैसे कि कोण-समाधानित फोटोमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी या कम-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन केवल एकल क्रिस्टल की सतहों पर संभव या सार्थक हैं।   अतिचालकता  में ऐसी सामग्री के मामले सामने आए हैं जहां सुपरकंडक्टिविटी केवल सिंगल-क्रिस्टलीय नमूने में देखी जाती है। उन्हें इस उद्देश्य के लिए उगाया जा सकता है, तब भी जब सामग्री की आवश्यकता केवल पॉलीक्रिस्टलाइन रूप में ही हो।

जैसे, उनके एकल-क्रिस्टल रूप में कई नई सामग्रियों का अध्ययन किया जा रहा है। मेटल-ऑर्गेनिक-फ्रेमवर्क (एमओएफ) का युवा क्षेत्र उन कई क्षेत्रों में से एक है, जो सिंगल क्रिस्टल के योग्य हैं। जनवरी 2021 में डॉ. डोंग और डॉ. फेंग ने प्रदर्शित किया कि कैसे पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक लिगैंड्स को 200 माइक्रोन तक के आकार के बड़े 2डी एमओएफ सिंगल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। इसका मतलब यह हो सकता है कि वैज्ञानिक एकल-क्रिस्टल उपकरणों का निर्माण कर सकते हैं और आंतरिक विद्युत चालकता और चार्ज परिवहन तंत्र का निर्धारण कर सकते हैं। एकल-क्रिस्टल-से-एकल-क्रिस्टल (SCSC) रूपांतरण नामक किसी चीज़ के साथ एकल क्रिस्टल के साथ फोटो-चालित परिवर्तन का क्षेत्र भी शामिल हो सकता है। ये आणविक गति का प्रत्यक्ष अवलोकन और यंत्रवत विवरण की समझ प्रदान करते हैं। यह फोटोस्विचिंग व्यवहार आंतरिक रूप से गैर-फोटो-उत्तरदायी मोनोन्यूक्लियर लैंथेनाइड एकल-अणु-चुंबक (एसएमएम) पर अत्याधुनिक शोध में भी देखा गया है।

यह भी देखें

 * क्रिस्टलीकरण (इंजीनियरिंग पहलू)
 * भिन्नात्मक क्रिस्टलीकरण (रसायन विज्ञान)
 * लेजर-हीटेड पेडस्टल ग्रोथ
 * माइक्रो-पुलिंग-डाउन
 * पुन: क्रिस्टलीकरण (धातु विज्ञान)
 * बीज क्रिस्टल

अग्रिम पठन

 * "Small Molecule Crystallization" (PDF) at Illinois Institute of Technology website