एकल क्रिस्टल

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पदार्थ विज्ञान में, एकल क्रिस्टल एक ऐसी पदार्थ है जिसमें पूरे नमूने की क्रिस्टल लैटिस निरंतर और नमूने के किनारों तक अखंड होती है, जिसमें कण की कोई सीमा नहीं होती है।[1]

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।[2] विशेष रूप से प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स में कुछ रत्नों को बहुमूल्य बनाने के अतिरिक्त, इन गुणों का उपयोग औद्योगिक रूप से तकनीकी अनुप्रयोगों में भी किया जाता है।[3]

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।[4] प्रयोगशाला प्रायः उत्पादन की लागत को जोड़ती हैंl दूसरी ओर, अपूर्ण एकल क्रिस्टल प्रकृति में विशाल आकार तक पहुंच सकते हैं: कई खनिज के प्रकार जैसे बेरिल, जिप्सम और फेल्डस्पार कई मीटर के पार क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए जाने जाते हैं। [5] [6][7]

एकल क्रिस्टल के विपरीत एक अनाकार संरचना है जहां परमाणु स्थिति केवल लघु-श्रेणी के क्रम तक सीमित होती है।[8] दो छोरों के बीच में पॉलीक्रिस्टलाइन उपस्थित होती है, जो कई छोटे क्रिस्टल से बनी होती है जिन्हें क्रिस्टलीय और पैराक्रिस्टलाइन चरणों के रूप में जाना जाता है।[7] एकल क्रिस्टल में आमतौर पर विशिष्ट समतल फलक और कुछ समरूपता होगी, जहाँ चेहरों के बीच के कोण इसके आदर्श आकार को निर्धारित करेंगे। अपवर्तक और परावर्तक गुणों का लाभ उठाने के लिए रत्न प्रायः क्रिस्टलोग्राफिक विमानों के साथ कृत्रिम रूप से कटे हुए एकल क्रिस्टल होते हैं।

उत्पादन विधियां

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 प्रारम्भ की गई थी, जबकि पिघल और वाष्प विधियाँ 1850 CE के आसपास प्रारम्भ हुईं।[9]

सिंगल-क्रिस्टल ग्रोथ मेथड्स ट्री डायग्राम

मूल 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।[10] बड़े एकल क्रिस्टल (बाउल्स) का उत्पादन करने के लिए विशिष्ट तकनीकों में सम्मिलित हैं ज़ोक्राल्स्की प्रक्रिया (CZ), फ्लोटिंग ज़ोन (या ज़ोन मूवमेंट), और ब्रिजमैन तकनीक। डॉ. टील और डॉ. लिटिल ऑफ़ बेल टेलीफ़ोन लेबोरेटरीज ने सबसे पहले Ge और Si सिंगल क्रिस्टल बनाने के लिए ज़ोक्राल्स्की पद्धति का उपयोग किया था।[11] हाइड्रोथर्मल संश्लेषण, उच्च बनाने की क्रिया, या बस विलायक-आधारित क्रिस्टलीकरण सहित पदार्थ के भौतिक गुणों के आधार पर क्रिस्टलीकरण के अन्य तरीकों का उपयोग किया जा सकता है।[12] उदाहरण के लिए, एक संशोधित किरोपोलोस प्रक्रिया का उपयोग उच्च गुणवत्ता वाले 300 किलो नीलम एकल क्रिस्टल विकसित करने के लिए किया जा सकता है।[13] वर्न्यूइल विधि, जिसे ज्वाला-संलयन विधि भी कहा जाता है, का उपयोग 1900 की शुरुआत में सीजेड से पहले माणिक बनाने के लिए किया गया था।[14] दाईं ओर का चित्र अधिकांश पारंपरिक तरीकों को दिखाता है। रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) जैसी नई सफलताओं के साथ-साथ विभिन्न विविधताएँ और उपस्थित तरीकों में बदलाव आया है। इन्हें आरेख में नहीं दिखाया गया है।

हाइड्रोथर्मल संश्लेषण द्वारा विकसित एक सिंगल-क्रिस्टल क्वार्ट्ज बार

धातु एकल क्रिस्टल के मामले में, निर्माण तकनीकों में ठोस पदार्थों में एपिटैक्सी और असामान्य अनाज वृद्धि भी सम्मिलित है।[15] 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 अन्य नैनो-तकनीकी क्षेत्रों और उत्प्रेरण में संभावित उपयोगों के साथ अर्धचालक उत्पादन के क्षेत्रों में निहित हैंl[16]

अनुप्रयोग

सेमीकंडक्टर उद्योग

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)।[17] हालांकि, एकल-क्रिस्टल कार्बनिक अर्धचालक सहित अकार्बनिक एकल क्रिस्टल सक्षम अर्धचालक के अतिरिक्त कई अन्य एकल क्रिस्टल हैं।

एक उच्च शुद्धता (99.999%) टैंटलम सिंगल क्रिस्टल, जोन मेल्टिंग द्वारा बनाया गया, टैंटलम के कुछ एकल क्रिस्टलीय टुकड़े, और एक उच्च-शुद्धता (99.99% = 4एन) 1 सेमीतुलना के लिए 3 टैंटलम क्यूब। यह तस्वीर अल्केमिस्ट-एचपी द्वारा ली गई थी।

अर्धचालक और फोटोवोल्टिक के निर्माण में प्रयुक्त मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन आज एकल-क्रिस्टल प्रौद्योगिकी का सबसे बड़ा उपयोग है।[18] फोटोवोल्टिक में, सबसे कुशल क्रिस्टल संरचना उच्चतम प्रकाश-से-विद्युत रूपांतरण उत्पन्न करेगी।[19] माइक्रोप्रोसेसरों द्वारा संचालित क्वांटम पैमाने पर, अनाज की सीमाओं की उपस्थिति स्थानीय विद्युत गुणों को बदलकर क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर की कार्यक्षमता पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है।[20] 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 अर्धचालक एकल क्रिस्टल में GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, और ZnTe सम्मिलित हैं। इनमें से अधिकांश को वांछित गुणों के लिए विभिन्न डोपिंग के साथ भी जोड़ा जा सकता है।[21] 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 उत्साही शोध का विषय बना हुआ है।[22] 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।[23]

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 हैं।[24] एकल क्रिस्टल के बढ़ने के लिए, पदार्थ की शुद्धता महत्वपूर्ण है और कार्बनिक पदार्थों के उत्पादन में आवश्यक शुद्धता तक पहुंचने के लिए आमतौर पर कई चरणों की आवश्यकता होती है।[25] उच्च चार्ज-वाहक गतिशीलता के साथ ऊष्मीय रूप से स्थिर पदार्थ की तलाश के लिए व्यापक शोध किया जा रहा है। पिछली खोजों में नेफ़थलीन, टेट्रासीन, और 9,10-डिपेनिलेंथेसीन (डीपीए) सम्मिलित हैं।[26] ट्राइफेनिलमाइन डेरिवेटिव ने वादा दिखाया है, और हाल ही में 2021 में, α-phenyl-4′- (diphenylamino) stilbene (TPA) की एकल-क्रिस्टल संरचना, जो समाधान विधि का उपयोग करके उगाई गई है, ने अर्धचालक उपयोग के लिए अपनी अनिस्ट्रोपिक होल ट्रांसपोर्ट प्रॉपर्टी के साथ और भी अधिक क्षमता प्रदर्शित की है।[27]

ऑप्टिकल अनुप्रयोग

सख्त क्रम में अणुओं के साथ एकल अनाज होने और अनाज की कोई सीमा नहीं होने के कारण एकल क्रिस्टल में अद्वितीय भौतिक गुण होते हैं।[28] इसमें ऑप्टिकल गुण सम्मिलित हैं, और विशिष्ट इन्फ्रारेड (आईआर) तरंगदैर्ध्य पर इसकी पारदर्शिता के कारण सिलिकॉन के एकल क्रिस्टल को ऑप्टिकल विंडो के रूप में भी उपयोग किया जाता है, जिससे यह कुछ उपकरणों के लिए बहुत उपयोगी हो जाता है।[29]

नीलम: वैज्ञानिकों द्वारा एल्युमिनियम ऑक्साइड (अल 2 ओ 3 ) के अल्फा चरण के रूप में बेहतर जाना जाता है, 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। [30] इलेक्ट्रॉनिक उपयोग के बाद विचार करते समय विकास विधि से उत्पन्न क्रिस्टल का व्यास महत्वपूर्ण होता है। उनका उपयोग लेजर और नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स 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। [31]

इंडियम फॉस्फाइड: ये एकल क्रिस्टल ऑप्टिकल फाइबर के रूप में अपने बड़े-व्यास वाले सबस्ट्रेट्स के साथ उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के संयोजन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं।[32] अन्य फोटोनिक उपकरणों में लेजर, फोटोडेटेक्टर, हिमस्खलन फोटो डायोड, ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर और एम्पलीफायर, सिग्नल प्रोसेसिंग, और ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक और फोटोनिक एकीकृत सर्किट दोनों सम्मिलित हैं।[33]

एल्यूमिनियम ऑक्साइड क्रिस्टल

जर्मेनियम: 1947 में बार्डीन, ब्रेटेन और शॉक्ले द्वारा आविष्कार किए गए पहले ट्रांजिस्टर में यह पदार्थ थी। इसका उपयोग कुछ गामा-रे डिटेक्टरों और अवरक्त प्रकाशिकी में किया जाता है।[34] अब यह अपनी आंतरिक वाहक गतिशीलता के लिए अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का केंद्र बन गया है।[35]

आर्सेनाइड: आर्सेनाइड III को विभिन्न तत्वों जैसे B, Al, Ga और In के साथ जोड़ा जा सकता है, जिसमें GaAs यौगिक वेफर्स की उच्च मांग में है।[36]

कैडमियम टेलुराइड : सीडीटीई क्रिस्टल में आईआर इमेजिंग, इलेक्ट्रोऑप्टिक उपकरणों और सौर कोशिकाओं के लिए सब्सट्रेट के रूप में कई अनुप्रयोग हैं।[37] सीडीटीई और जेडएनटीई को मिलाकर कमरे के तापमान के एक्स-रे और गामा-रे डिटेक्टर बनाए जा सकते हैं।[38]

विद्युत सुचालक

धातुओं को आश्चर्यजनक रूप से एकल-क्रिस्टल रूप में उत्पादित किया जा सकता है और धात्विक सुचालकों के अंतिम प्रदर्शन को समझने का एक साधन प्रदान करता है। उत्प्रेरक रसायन विज्ञान, सतह भौतिकी, इलेक्ट्रॉनों और मोनोक्रोमेटर्स जैसे बुनियादी विज्ञान को समझने के लिए यह महत्वपूर्ण है।[39] धात्विक एकल क्रिस्टल के उत्पादन में उच्चतम गुणवत्ता की आवश्यकताएं होती हैं और छड़ के रूप में उगाई या खींची जाती हैं।[40] कुछ कंपनियां अलग-अलग व्यास के साथ विशिष्ट ज्यामिति, खांचे, छेद और संदर्भ चेहरे का उत्पादन कर सकती हैं।[41]

सभी धातु तत्वों में से, चांदी और तांबे में कमरे के तापमान पर सबसे अच्छी चालकता होती है, जो प्रदर्शन के लिए बार सेट करती है।[42] 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 सुचालकों की चालकता अक्सर अंतर्राष्ट्रीय एनील्ड कॉपर स्टैंडर्ड 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 समाप्त होता नजर आ रहा है। तांबे को शुद्ध बनाने से अभी भी कोई महत्वपूर्ण सुधार नहीं हुआ है। दूसरा, एनीलिंग 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 उत्तरदायी 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।[43]

कमरे के तापमान (293 K) पर चांदी (Ag) / कॉपर (Cu) पदार्थ के लिए विद्युत प्रतिरोधकता
पदार्थ (μΩ∙cm) आईएसीएस
सिंगल-क्रिस्टल एजी, 3 mol% Cu . के साथ डोप किया गया 1.35 127%
सिंगल-क्रिस्टल Cu, आगे संसाधित 1.472 117.1%
सिंगल-क्रिस्टल एजी 1.49 115.4%
सिंगल-क्रिस्टल Cu 1.52 113.4%
उच्च शुद्धता एजी तार (पॉलीक्रिस्टलाइन) 1.59 108%
उच्च शुद्धता Cu तार (पॉलीक्रिस्टलाइन) 1.67 103%


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 अनुपयुक्त 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 जाता है, लेकिन तांबे के सुचालकों के लिए बहुत बड़े व्यक्तिगत क्रिस्टल आकार के उत्पादन के तरीकों का उपयोग उच्च प्रदर्शन विद्युत अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। इन्हें केवल कुछ क्रिस्टल प्रति मीटर लंबाई के साथ मेटा-एकल क्रिस्टल माना जा सकता है।

सिंगल-क्रिस्टल ब्लेड कास्टिंग से बेनी

सिंगल-क्रिस्टल टर्बाइन ब्लेड

एकल-क्रिस्टल ठोस का एक अन्य अनुप्रयोग पदार्थ विज्ञान में कम तापीय रेंगने वाली उच्च शक्ति पदार्थ के उत्पादन में है, जैसे टरबाइन ब्लेड।[44] 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।[45] 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 प्रारम्भ करने के लिए इसका इस्तेमाल किया।[46]

शोध में

एकल क्रिस्टल अनुसंधान में विशेष रूप से संघनित-पदार्थ भौतिकी और पदार्थ विज्ञान के सभी पहलुओं जैसे सतह विज्ञान के लिए आवश्यक हैं।[47] ब्रैग विवर्तन और हीलियम परमाणु बिखरने जैसी तकनीकों द्वारा पदार्थ 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।[48] इसके अतिरिक्त, 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।[49] [50] सुपरकंडक्टिविटी में ऐसी पदार्थ के मामले सामने आए हैं जहां सुपरकंडक्टिविटी केवल सिंगल-क्रिस्टलीय नमूने में देखी जाती है।[51] उन्हें इस उद्देश्य के लिए उगाया जा सकता है, तब भी जब पदार्थ 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।[52]

एकल-क्रिस्टल-से-एकल-क्रिस्टल (SCSC) रूपांतरण नामक किसी चीज़ के साथ एकल क्रिस्टल के साथ फोटो-चालित परिवर्तन का क्षेत्र भी सम्मिलित हो सकता है। ये आणविक गति का प्रत्यक्ष अवलोकन और यंत्रवत विवरण की समझ प्रदान करते हैं।[53] यह फोटोस्विचिंग व्यवहार आंतरिक रूप से गैर-फोटो-उत्तरदायी मोनोन्यूक्लियर लैंथेनाइड एकल-अणु-चुंबक (एसएमएम) पर अत्याधुनिक शोध में भी देखा गया है। [54]

यह भी देखें

संदर्भ

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