【基本】単結晶の製法

レーザーを扱っていると、様々な結晶を利用します。その製法は、大きく溶液法、溶融法、気相法、固相法に分けられます。

1. 溶液法

水溶液法は、水溶液を加熱濃縮後に冷却して単結晶を生成する方法です。イオン結晶やハロゲン化銀に使われます。

水熱合成法は、オートクレーブ中の高加圧下で単結晶を育成します。常温常圧で水に溶けない物質の生成も可能であるため通常得られなような物質の合成が可能です。人工水晶やPZT薄膜などに利用されています。

フラックス法は、高温で溶解している低融点溶剤(フラックス)に溶質を溶解させ、フラックスの蒸発や冷却により結晶を析出させる方法です。装置が簡便で実験等を簡単に行える方法です。

2. 溶融法

ベルヌーイ法は、酸化物粉末を酸素・水素炎中に落下、溶融させ、種結晶がついた結晶受棒へ落とします。落下した溶液が冷却・固化して結晶となる製法です。

チョクラルスキー法(CZ法)は、軸の先に種結晶を取り付け、先端を溶液に接触させ、互いに反対方向に回転させながらゆっくりと引き上げることで結晶を生成する方法です。

ブリッジマン法(B法)は、加熱容器に粉末原料を入れ、加熱溶融させ徐々に材料を降下させ、冷却・固化することで結晶を得る方法です。

浮遊帯溶融法(FZ法)は、種結晶(多結晶)を付けた棒を垂直に設置し、軸を回転させながら加工させる間に部分的に集中加熱して単結晶化していく加工方法です。

3. 気相法

昇華再結晶法(PVT法)は、蒸気圧の大きい物質を昇華、再結晶させることで単結晶を得る方法です。大きな結晶ができない欠点があります。大型の基板への結晶成長にも対応できます。

化学輸送法(CVT法)は、密閉容器内の高温部に多結晶体材料を置き、気化させます。気化化合物は低温部に輸送され冷却され再結晶化する製法です。比較的大型で高品質の結晶を得られるとされています。

化学気相成長法(CVD法)は、気相化合物を原料として、反応させて蒸気圧の低い化合物として単結晶を析出させる方法です。基板の上に単結晶薄膜を形成するときに利用されます。

4. 固相法

固相反応法は、粒成長現象を利用して原材料を溶融することなく直接単結晶を生成する方法です。多結晶体を加熱すると結晶粒子の中で結晶が周囲の微細な結晶を併合していき成長する現象を利用しています。フェライトの製造などに利用されています。

ゾル・ゲル法は、セラミック粉末の合成方法の一種で、溶液から加水分解、縮重合を経てゲル状の物質にし、熱処理をして最終製品を作る方法です。低温で化学的に均質な多成分系のセラミックスができるようです。

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