無需熔融 固-固轉變制備單晶新方法誕生

材料牛注：里海大學的材料學家和物理學家研究出了制造單晶的新方法，該方法可使更多的材料用于微電子，太陽能設備和其他高技術應用中。

研究團隊認為該發現為玻璃及其他原子結構原本無序的材料開創了一種制成類似硅單晶的方法，從而使這些材料在高科技應用中具備優異的性能，例如激光器和光發光二極管（LED）。

里海大學材料科學與工程學院的Jain教授認為：“多晶材料晶體間的晶界相對薄弱或結合不佳，因而性能不好。而單晶沒有晶界，因而具有優越的性能，在腐蝕環境下機械性能依然很好，而且導電性好，透光性強。”

Jain介紹，硅的單晶通過熔融生長而成，但這一制備方法導致許多材料發生分解或改變成分，從而喪失效用，因此并不能廣泛應用。

因此，Jain團隊使用新的加熱方法使玻璃轉變為單晶，該過程為固-固轉變且無需形成不必要的晶體或晶核。 “通過空間定位激光加熱，在形成玻璃合適的組分前，全固態玻璃轉化為晶體的過程中沒有外來核的形成。”

單晶中材料的所有原子按照有序的三維晶格結構排列。為了形成大的單晶硅，科學家們從熔化的單晶硅中取出一個微小的晶體。熔化的硅原子以晶格結構沉積在籽晶上；隨著溶液的冷卻，單晶硅就形成了。單晶的大小取決于晶體被牽引的速度。

而Jain團隊用一種截然不同的方法生成Sb2S3這種硫族玻璃的單晶。為了讓玻璃種生成單晶，團隊用激光將玻璃從室溫加熱到遠低于熔點的結晶溫度。電子衍射和彩色顯微圖片使研究團隊監測原子排列方向，從而在樣品不同地點實現單晶化。

Jain介紹，在固態玻璃中形成單晶，發生在加熱和停止之后，對應于硅單晶生成是熔化后冷卻。他們的目標是在沒有其他晶體成核的情況下，用足夠的熱量使玻璃中雜亂無章的原子形成單晶。“我們希望只有一個晶核形成。如果得到多個核，最終形成的就是多晶陶瓷材料，這與我們的理想不符。”

為了防止外來核的形成，該團隊使用聚焦激光以限制玻璃被加熱的體積，只允許一個晶核的形成，之后該晶核迅速生長為單晶。

該小組還提出了第二策略——使用預先設計的由銻，硫，碘（SB-S-I）組成的玻璃。在單晶形成和生長的過程中，碘從晶體中移出并進入鄰近玻璃中，從而抑制成核。

該研究成果已發表于Scientific Reports上。

原文參考網址：Single crystals from glass could expand high-tech materials

感謝材料人編輯部楊志濤提供素材