從非晶態到單晶—單晶硅制備的新方法

材料牛注：利哈伊大學的材料科學家和物理學家已經研究出制備單晶的新方法，這會使得更多的材料能夠應用到微電子、太陽能及其他高科技領域。

眾所周知，單晶結構的固體材料通常擁有高科技應用所需的優異性能。例如，激光器和發光二極管（LED），就是在基板上通過極薄單晶膜的外延生長分層制得具有優異性能的半導體器件。

硅的單晶通常在熔化時生長，但熔化的高溫會導致許多非常有用的物質分解而使材料失去效用。

多晶材料的微晶之間的晶界通常是薄弱處，往往會造成材料某些性能的不理想。

相比而言，單晶不存在晶界，因而具有優越的性能。它在強腐蝕環境中仍具有很優越的機械性能。此外，它還具有優越的電學性能和透光性能。

在3月18日的Scientific Report雜志上，利哈伊大學的研究人員報道了“通過固-固轉變進行玻璃單晶生長”的研究。

他們使用一種新的加熱方式將玻璃態材料轉變為單晶體，此過程無需經過氣相或液相，也不產生非目標晶相和晶核。

“第一個全固態非晶材料轉為晶體的實驗準確地證明了，通過空間局部激光加熱和引入合適的玻璃形成體，可以避免不必要的成核過程，”雜志中如此評價他們的研究。

在單晶中，材料中的所有原子排列成完美有序的三維晶體結構。為了制備更大的單晶硅，研究人員將單晶硅的微小的籽晶放入熔體內，而后向上提拉籽晶。熔融硅內的原子附著在籽晶表面，形成晶格。熔體冷卻后形成單晶的大小取決于籽晶提拉速度的快慢。

該研究團隊設計出一種類似方法制備銻硫化物（硫化銻）玻璃的單晶。該團隊采用激光做為熱源，將玻璃從環境溫度到加熱到結晶溫度（遠低于熔點），進而誘導結晶。電子衍射和電子顯微鏡的顏色圖使研究人員能夠檢測原子結構的取向，并證明在樣品上不同位置的單晶結晶度。

晶體的形成發生在受熱與停止加熱的間隔中，以硅為例，它在熔體冷卻過程中發生結晶過程。這可以通過由激光掃過玻璃形成的劃痕觀察到，玻璃的熔化過程會消除劃痕并使表面變光滑。

一旦他們做出單晶線，他們會重復上述過程來得到平行的單晶線，并最終在玻璃表面形成了單晶層。他們可以“縫合”這些平行的單晶線從而整個表面轉換成單晶。

該團隊的目標是施加足夠的熱量到玻璃中，這樣玻璃中雜亂無章的原子將有序排列成單晶，而且不會觸發不必要的結晶成核作用。

“我們希望只形成單個晶核。如果形成多個核，最終會得到不具備預期性能的多晶陶瓷材料”，團隊的研究人員說到。

為了防止過量晶核形成，該團隊使用聚焦激光來限制受熱玻璃的體積，只允許單個晶核形成。單個晶核會迅速成長為單晶。

該團隊證明，過量的成核可以通過減小被加熱區域的體積，或以極快的速度移動激光束來避免。

該小組還提出了依靠預先設計的由銻、硫、碘組成的玻璃來制備單晶的第二種方法。

毋庸置疑，這一科學進展為將玻璃等原子結構無序的固體材料轉變成類似單晶硅的單晶結構開辟了道路。這意味著越來越大多的固體材料將會應用到微電子等高新領域。

原文參考鏈接：Lehigh scientists extend the reach of single crystals

感謝材料人網編輯部陳曉供稿！