En nuestro afán por ofreceros los materiales más innovadores y relevantes para la industria, hoy dedicamos este post a los monocristales. Los materiales monocristalinos contienen una única red cristalina continua sin defectos ni impurezas. Estas propiedades especiales dotan a los monocristales de gran utilidad para las industrias mecánica, óptica y eléctrica. Vamos a conocerlos con más detalle y a mostrarte los monocristales de nuestro partner Goodfellow, que tenemos ya a vuestra disposición.
¿Qué es un monocristal?
Un monocristal es un material en el que la red cristalina es continua y no está interrumpida por bordes de grano hasta los límites de la muestra. Como los bordes pueden tener efectos importantes en las propiedades físicas de un material, los monocristales tienen interés para la industria y para la investigación académica.
En el lado opuesto de un monocristal están los vidrios, estructuras amorfas donde no hay correlación de largo alcance entre las posiciones atómicas. Entre los dos extremos están los materiales policristalinos.
El objetivo de la producción de monocristal es fabricar los cristales más grandes posibles y con la mejor calidad posible. La ausencia de los defectos asociados con los límites de grano otorga a los monocristales propiedades únicas, particularmente mecánicas, ópticas y eléctricas. Estas propiedades, además de convertir algunas gemas en preciosas, se utilizan industrialmente en aplicaciones tecnológicas, especialmente en óptica y electrónica:
- Industria de semiconductores
- Aplicación óptica, p. ej. los rayos X
- Conductores eléctricos
- Palas de turbina de monocristal
- Ciencia de superficies
Estructura y propiedades de los monocristales
Para poder comprender la estructura cristalina de los monocristales primero es necesario comprender qué diferencias presentan respecto a un cristal convencional, también conocido como estructura policristalina.
En un proceso de solidificación, partimos de un material en estado líquido, el cual se enfría progresivamente hasta alcanzar la temperatura de fusión (o solidificación si la observamos en el sentido opuesto).
Obviando fenómenos de subenfriamiento, y considerando un crecimiento lento y metaestable, una vez alcanzadas estas condiciones se forma un primer núcleo (primeros átomos que pasan a fase sólida) a partir del cual el cristal comienza a crecer.
En condiciones estándar, este fenómeno se replica constantemente, creando una gran cantidad de puntos de nucleación, que sirven como origen de nuevos cristales que crecen en todas direcciones. Conforme estos cristales, también conocidos como granos, crecen y se encuentran unos con otros, se forma el fenómeno de coalescencia de granos y la aparición de límites de grano.
Estos límites de grano son regiones críticas que aportan unas grandes propiedades mecánicas, ya que dificultan el avance de planos de falla en caso de ruptura.
Por otro lado, en lo que respecta a propiedades de conductividad térmica/eléctrica, estos límites de grano tienen un efecto completamente opuesto, disminuyendo de forma significativa las propiedades conductoras del material.
Esto se debe a que dichas propiedades dependen de la orientación de cada cristal de forma individual. En una macroestructura cristalina con una infinita cantidad de granos orientados de forma aleatoria, las propiedades conductivas de estos se contrarrestan, reduciendo de forma drástica la conductividad total del material.
Procesos de crecimiento de los monocristales
La fabricación de cristales sintéticos está cobrando cada vez más importancia. Para la industria son de gran importancia los materiales semiconductores de alta pureza como el silicio y el carburo de silicio, así como los materiales oxídicos como el zafiro. A partir de estos, se fabrican plaquitas o sustratos para la industria de los semiconductores y la industria solar.
2.1 Procedimiento Czochralski
Método más común de creación de monocristales. Se forma el cristal a partir de un baño de mezcla fundida en un crisol. Una varilla de cristal giratoria se sumerge en un baño de mezcla y se obtienen lingotes de sección cilíndrica.
Para el silicio se efectúa el calentamiento por resistencia del crisol, para los cristales más fundentes (zafiro) se utilizan crisoles calentados por inducción con revestimiento de grafito. Con la ayuda de una varilla de cristal giratoria que se sumerge en un baño de mezcla fundida, el monocristal crece varios milímetros por hora. Al mismo tiempo, hay que evitar las oscilaciones de temperatura.
2.2 Método de zona flotante
En este método, se sostiene verticalmente una varilla policristalina (p. ej., de silicio) en un inductor de unos mm de diámetro mientras se funde poco a poco (1,5-4 mm/min.) y debajo del inductor crece un monocristal de alta pureza. Ambas varillas giran en sentido contrario y no entran en contacto con otros materiales o crisoles. El diámetro habitual del cristal generado es de aprox. 200 mm.
Existen otros procesos de formación de monocristales, tales como el transporte físico en fase de vapor, que aún no tienen una amplia implantación en la industria.
Los monocristales de Goodfellow
Nuestro partner Goodfellow cuenta con un amplio stock de monocristales en diferentes tamaños y orientaciones. Sin embargo, dada la naturaleza de la aplicación de los monocristales, los requisitos personalizados son habituales y Goodfellow también proporciona monocristales personalizados de forma regular.
A continuación expondremos brevemente:
- qué metales están disponibles en monocristales
- diferentes geometrías de la pieza
- la orientación cristalina, que habla del ángulo de inclinación que tendrá el monocristal (fundamental a la hora de determinar qué propiedades fisicoquímicas tendrá dicho monocristal)
La amplia gama de monocristales de Goodfellow incluye:
13 materiales monocristalinos para elegir
La gama especializada de monocristales de Goodfellow se compone de 13 metales, incluidos plata, oro y cobre:
Ag / Al / Au / Bi / Co / Cu / Mo / Ni / Sb / Sn / Ta / W
Si lo necesitas, también podemos obtener otros materiales en forma de monocristal, como por ejemplo Fe, Pb, Pt, Pd y Zn.
3 formas monocristalinas que se adaptan a sus aplicaciones
Como todos sabemos, la forma requerida del monocristal depende a menudo de la aplicación prevista. La gama especializada de Goodfellow incluye monocristales en formas de disco, cuadrado (también conocidos como oblea) y de copa en una variedad de espesores y diámetros. También podemos ofrecerte un presupuesto personalizado para más de 40 formas diferentes de monocristales si lo necesitas.
6 orientaciones de monocristal y 4 precisiones de orientación
Las propiedades de un sólido monocristalino se ven afectadas, en la mayoría de los casos, por los índices de Miller (hkl) del lugar de la red cristalina. Esto se conoce más comúnmente como orientación del cristal. Nuestra gama especializada de monocristales incluye 6 orientaciones de cristal y 4 precisiones, lo que permite seleccionar las opciones que mejor se adapten a tus necesidades.
Las orientaciones de monocristal que ofrecemos son: 100/110/111/001/10-10/11-20.
Con opciones de precisión de 0,1°/0,4°/0,5°/1°.
Con espesores entre 0,5 y 12 mm. (± 0.2 mm.)