¿Qué tipos de cristales existen?
Según su función, existen hasta 20 tipos de cristales, como cristales semiconductores, cristales magnetoópticos, cristales láser, cristales electroópticos, cristales acústico-ópticos, cristales ópticos no lineales, cristales piezoeléctricos. , cristales piroeléctricos, cristal de transistores de hierro, cristal de centelleo, cristal aislante, cristal sensible, cristal fotocromático, cristal superconductor, cristal multifuncional, etc.
Lo anterior proviene de lo siguiente (lectura muy interesante, ¡realmente espero que pueda ayudarte!):
Progress in Crystallography and Crystal Materials Research 2006-09-13 12:51 Con la tecnología informática Con el desarrollo de la tecnología láser, la humanidad ha entrado en una nueva era de la optoelectrónica; la base material para realizar este gran cambio no es más que un monocristal de silicio y un cristal láser. Se puede concluir que el mayor desarrollo de los materiales cristalinos seguramente escribirá un nuevo capítulo en la civilización científica y tecnológica humana.
1. El proceso de comprensión humana de los cristales y conceptos relacionados con ellos.
1. El proceso de comprensión humana de los cristales
¿Qué es un cristal? Desde la antigüedad hasta la actualidad, el ser humano ha estado explorando incansablemente este problema. Ya en la Edad de Piedra, la gente descubrió piedras de diversas formas regulares y las convirtió en herramientas, iniciando así la exploración de la naturaleza de los cristales. Más tarde, tras una larga observación, se descubrió que la característica más llamativa de este cristal es su forma regular. En 1669, el científico italiano Nicholas Stano descubrió la ley de conservación de los ángulos de las caras del cristal, señalando que en cristales de la misma sustancia, los ángulos entre las caras correspondientes del cristal son constantes. Luego, el científico francés René Just Haüy propuso la famosa teoría de la célula unitaria en 1784, lo que supuso un gran paso adelante para la comprensión de los cristales por parte de la humanidad. Según esta teoría, la celda unitaria es la unidad más pequeña que constituye un cristal, y un cristal está compuesto por una gran cantidad de celdas unitarias. En 1885, A. Bravais, un científico de este país, desarrolló esta teoría hasta convertirla en la teoría de la red espacial. Creía que los átomos, moléculas o iones que forman un cristal están organizados de acuerdo con ciertas reglas, y esta disposición forma una cierta forma de estructura reticular espacial. En 1912, el científico alemán Max van Laue realizó experimentos de difracción de rayos X en cristales, confirmando por primera vez la exactitud de esta teoría y ganando el Premio Nobel de Física.
2. El concepto de cristal
Los objetos con una estructura de red espacial son cristales, y existen 14 tipos de estructuras de red espacial. Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl), el componente principal de la sal, tiene una estructura cúbica centrada en las caras y es un cristal común. Además, muchos metales (como el tungsteno, el molibdeno, el sodio, el hierro, etc. a temperatura ambiente) tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo, por lo que todos son cristales. Vale la pena señalar que hay muchos cristales que son cristalinos, pero no todos los sólidos transparentes son cristales, como el vidrio. Esto se debe a que las partículas que componen el vidrio solo están dispuestas regularmente cerca de un átomo y no forman una estructura reticular espacial en todo el vidrio.
3. Cristal natural y cristal artificial
El cristal se divide en cristal natural y cristal artificial. A lo largo de miles de años, la naturaleza ha formado muchos cristales hermosos, como rubíes, zafiros y esmeraldas. Estos cristales se llaman cristales naturales. Sin embargo, debido a la escasez y el alto precio de los cristales naturales, desde finales de 2019, la gente comenzó a explorar diversos métodos para cultivar cristales. Este tipo de cristal cultivado mediante métodos artificiales se llama cristal artificial. Hasta ahora, la gente ha inventado docenas de métodos de crecimiento de cristales, como el método Czochralski, el método de zona flotante, el método de fusión por llama, el método de descenso en crisol, el método de flujo, el método hidrotermal, el método de enfriamiento, el método de recristalización, etc. . Con estos métodos, las personas no sólo pueden cultivar cristales que ya existen en la naturaleza, sino también crear cristales que no se encuentran en la naturaleza. Desde rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, morado hasta varios colores mezclados, estos cristales artificiales son coloridos y algunos son incluso más hermosos que los cristales naturales.
4. El * * * de los cristales
Debido a su estructura reticular espacial periódica, los cristales tienen las siguientes propiedades: homogeneidad, es decir, las propiedades macroscópicas de las diferentes partes del cristal. son iguales; es decir, los cristales tienen diferentes propiedades físicas en diferentes direcciones, es decir, los cristales pueden formar espontáneamente formas geométricas regulares, es decir, las propiedades físicas y químicas de los cristales son exactamente las mismas; ciertas direcciones específicas; tener un punto de fusión fijo; la energía interna es mínima.
5. Cristalografía
Además de estudiar la estructura, crecimiento y propiedades generales de los cristales, las personas también exploraron otras cuestiones relacionadas con los cristales, formando así la disciplina de la cristalografía. Sus principales contenidos de investigación incluyen cinco partes: crecimiento de cristales, geometría de cristales, análisis de la estructura cristalina, química de cristales y física de cristales.
Entre ellos, el crecimiento de cristales es el estudio de métodos y reglas para el crecimiento artificial de cristales, y es una base importante para la investigación cristalográfica. La estructura geométrica del cristal es una teoría geométrica que estudia la forma de los cristales y la disposición de las partículas internas, y es un clásico; Teoría de la investigación cristalográfica. Sin embargo, el descubrimiento de la simetría rotacional de quinto orden en los últimos años ha desafiado esta teoría clásica. El análisis de la estructura cristalina es un método de análisis que recopila una gran cantidad de datos de difracción relacionados con la estructura cristalina para descubrir la estructura cristalina específica y la estructura de rayos X; la química cristalina estudia principalmente la relación entre la composición química y la estructura cristalina y los estudios de física cristalina; las propiedades físicas de los cristales, como propiedades ópticas, propiedades eléctricas, propiedades magnéticas, propiedades mecánicas, propiedades acústicas y propiedades térmicas.
2. Rendimiento, aplicación y progreso de los cristales
Un físico dijo una vez: "Los cristales son el mejor regalo que los trabajadores del crecimiento de cristales pueden dar a los físicos". Una sustancia existe en estado cristalino, exhibirá excelentes propiedades físicas que otras sustancias no tienen, convirtiéndose así en una base importante para que los humanos estudien la estructura y las propiedades de la materia sólida. Además, debido a que pueden realizar la interacción y conversión de electricidad, magnetismo, luz, sonido y fuerza, los cristales también son materiales importantes en industrias como dispositivos electrónicos, dispositivos semiconductores, dispositivos láser sólidos y diversos instrumentos ópticos. utilizado en comunicaciones, fotografía, aeroespacial, etc., medicina, geología, meteorología, arquitectura, tecnología militar y otros campos.
Los cristales se clasifican según sus funciones, incluidos hasta 20 tipos, como cristales semiconductores, cristales magnetoópticos, cristales láser, cristales electroópticos, cristales acústicos-ópticos y cristales no lineales.
Cristales ópticos, cristales piezoeléctricos, cristales termoeléctricos, cristales ferroeléctricos, cristales de centelleo, cristales aislantes, cristales sensibles, cristales fotocromáticos, cristales superconductores y cristales multifuncionales. Aquí hay una breve introducción a algunos importantes.
1 Cristal semiconductor
El cristal semiconductor es el principal material básico de la industria de los semiconductores. Desde la perspectiva de la universalidad y la importancia de su aplicación, ocupa la posición más importante entre los cristales. Los cristales semiconductores comenzaron a desarrollarse en la década de 1950. La primera generación de cristales semiconductores fue el monocristal de germanio (Ge) y el monocristal de silicio.
(Silicio). Los dispositivos fabricados con ellos, como diodos, transistores, transistores de efecto de campo, tiristores y transistores de alta potencia, se utilizan ampliamente en la industria de la electrónica inalámbrica. Su desarrollo ha permitido el rápido desarrollo de circuitos integrados desde solo una docena de circuitos unitarios hasta circuitos integrados a muy gran escala con miles de componentes, lo que ha promovido en gran medida la miniaturización de productos electrónicos, ha mejorado en gran medida la confiabilidad del trabajo y ha reducido los costos, por lo que Ha promovido la amplia aplicación de circuitos integrados en investigación aeroespacial, armas nucleares, misiles, radares, computadoras electrónicas, equipos de comunicaciones militares y aplicaciones civiles.
En la actualidad, además de desarrollar monocristales de silicio de gran diámetro, alta pureza, alta uniformidad y sin defectos, la gente también está estudiando la segunda generación de cristales semiconductores: compuestos III-V. como (CaAs), fosfuro de galio (GaP) y otros monocristales. Recientemente, para satisfacer la demanda de mayor rendimiento, se han desarrollado cristales semiconductores como compuestos ternarios o multicomponentes. Entre los materiales cristalinos semiconductores, cabe mencionar especialmente el cristal de nitruro de galio (GaN). Debido a su amplia banda prohibida (3,4 eV a temperatura ambiente), es un material ideal para diodos emisores de luz (LED) azul-verde, diodos láser (LD) y circuitos integrados de alta potencia. En los últimos años, ha desencadenado un auge de la investigación en todo el mundo y se ha convertido en un foco de investigación. Actualmente, el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China ha desarrollado un nuevo método para el crecimiento de este cristal. Por primera vez, se cultivó un cristal en escamas de 3 mm x 4 mm utilizando el método de sales fundidas. Una vez que se mejore aún más la calidad del cristal, se utilizará ampliamente en dispositivos emisores de luz, sistemas de comunicación óptica, reproductores de CD, impresión a todo color, impresión láser de alta resolución, sistemas de visualización a todo color de pantalla grande y televisores ultrafinos. , etc.
2. Cristal láser
El cristal láser es la sustancia de trabajo del láser. Puede emitir láser después del bombeo, por lo que se llama cristal láser. En 1960, el científico estadounidense Maiman desarrolló con éxito el primer láser del mundo utilizando cristal de rubí como material de trabajo, logrando un gran logro científico que atrajo la atención mundial.
Logros. Se han desarrollado cientos de cristales láser. Los más utilizados son el rubí (Cr:Al 2O3), el zafiro de titanio (Ti:Al2O3), el granate de gadolinio aluminio dopado con neodimio (Nd: Y3Al 5O12), el fluoruro de calcio dopado con disprosio (Dy: CaF2) y el neodimio. -vanadato de itrio dopado (Nd: YVO4), tetraborato de neodimio y aluminio (NDAL).
En los últimos años, debido a la continua aparición de nuevos cristales láser y al desarrollo de la duplicación de frecuencia no lineal, la diferencia de frecuencia y la oscilación paramétrica, se han aplicado láseres.
Láseres obtenidos de Los cristales han involucrado el espectro ultravioleta, de luz visible al infrarrojo, y se han utilizado con éxito en campos como la tecnología militar, la exploración espacial, la medicina y la química.
Y muchas otras áreas. Por ejemplo, en el procesamiento de diversos materiales, el láser generado por cristales juega un papel importante, especialmente en el procesamiento de materiales superduros, tiene ventajas incomparables. Por ejemplo, se necesitan más de dos horas para perforar un agujero en un diamante utilizando el método tradicional, pero la luz láser generada por el cristal es inferior a 0. 1 segundo. Además, la soldadura láser puede ensamblar muchos componentes electrónicos a alta densidad, mejorando en gran medida la confiabilidad del circuito y reduciendo así en gran medida el tamaño de los equipos electrónicos. Los cristales láser también se pueden convertir en telémetros láser y altímetros láser para mediciones de alta precisión. Lo interesante es que, por primera vez, el Observatorio Francés utilizó un dispositivo equipado con un cristal de rubí para realizar un experimento de observación de seguimiento en el mismo satélite artificial y midió con precisión la distancia entre el satélite y el suelo. En medicina, los cristales láser se han utilizado de forma inteligente. El láser que emite se emite a través de un tubo de luz que se puede doblar libremente, con una lente y un mango de cirujano montados en el extremo de salida. A través de la lente, el láser se enfoca en un punto diminuto con un diámetro de sólo unos pocos angstroms, convirtiéndose en un bisturí invisible pero muy hábil que no sólo puede esterilizar completamente, sino también cortar rápidamente tejido e incluso cortar una célula. Los cristales láser dopados con erbio son los más adecuados para cirugías oculares extremadamente delicadas. Este cristal puede generar luz láser con una longitud de onda cercana a las 3 μm. Dado que la luz láser es fuertemente absorbida por el agua, sólo tiene una corta profundidad de penetración de unos pocos micrómetros después de entrar en el tejido biológico. Por tanto, este láser es muy seguro y no causa ningún dolor al paciente. Debido a que este láser puede cortar de forma rápida y precisa, el tiempo de operación es extremadamente corto, evitando así la interferencia del movimiento ocular involuntario en la operación y asegurando el buen progreso de la operación. Además, la televisión láser, las películas estereoscópicas en color con láser, la fotografía láser y las computadoras láser serán nuevos e interesantes usos para los cristales láser.
3. Cristal óptico no lineal
Cuando la luz se propaga en un cristal, provoca la polarización del cristal. Cuando la intensidad de la luz no es demasiado grande, la intensidad de polarización del cristal tiene una relación lineal con el campo eléctrico de frecuencia de la luz y su relación no lineal puede ignorarse. Sin embargo, cuando la intensidad de la luz es muy alta, como cuando la luz láser se propaga en un cristal, la relación no lineal entre la intensidad de polarización y el campo eléctrico de frecuencia óptica se vuelve muy significativa y no puede ignorarse. Este efecto óptico relacionado con la intensidad de la luz se denomina efecto óptico no lineal y los cristales con este efecto se denominan cristales ópticos no lineales.
Los cristales ópticos no lineales están estrechamente relacionados con los láseres y son materiales clave para realizar la conversión, modulación, desviación y conmutación Q de frecuencia del láser. En la actualidad, las bandas de longitud de onda del láser obtenidas directamente mediante cristales láser son limitadas y todavía existen bandas de láser en blanco desde el espectro ultravioleta al infrarrojo. Usando cristales ópticos no lineales, el láser emitido directamente por el cristal láser se puede convertir en láser en una nueva banda de ondas, abriendo así una nueva fuente de luz láser y ampliando el alcance de aplicación del cristal láser. Los cristales ópticos no lineales de uso común incluyen yodato de litio (α-Li IO3), niobato de bario y sodio (Ba2NaNb5O15), fosfato de deuterio y potasio (KD2PO4), metaborato de bario (β-BaB2O4), triborato de litio (LiB3O5), etc. Entre ellos, los cristales de metaborato de bario y triborato de litio se desarrollaron con éxito en China por primera vez en la década de 1980. Tienen las ventajas sobresalientes de grandes coeficientes ópticos no lineales y un alto umbral de daño por láser, y son excelentes frecuencias de láser.
Los materiales cristalinos de cambio de velocidad han causado gran repercusión a nivel internacional. Otro cristal famoso es el cristal de titanilfosfato de potasio (KTiOPO4), que es el cristal óptico no lineal con el mejor rendimiento integral hasta el momento. Es reconocido como la primera opción para duplicar la frecuencia del láser. 064μm y 1. Puede convertir un láser infrarrojo de 1,32 μm. 064μm se convierte en un láser verde de 0,53μm. Dado que la luz verde se puede utilizar no sólo para tratamientos médicos y alcance láser, sino también para fotografía y comunicaciones submarinas, los cristales de titanilfosfato de potasio se han utilizado ampliamente.
4. Cristal piezoeléctrico
Cuando el cristal se somete a una fuerza externa, se polarizará y formará una carga superficial, lo que se denomina efecto piezoeléctrico positivo. Por el contrario, cuando el cristal se somete a un campo eléctrico externo, el cristal se deformará, fenómeno denominado efecto piezoeléctrico inverso. Los cristales con efecto piezoeléctrico se denominan cristales piezoeléctricos y sólo existen en cristales sin centro de simetría. El primer cristal piezoeléctrico fue el cristal (α-SiO2).
Es un material piezoeléctrico ideal con frecuencia estable y puede usarse para fabricar resonadores, filtros, transductores, deflectores ópticos, dispositivos de ondas acústicas de superficie y diversos dispositivos térmicos, sensibles a los gases, fotosensibles y químicamente sensibles. También se utiliza mucho en la vida diaria de las personas, como en relojes de cuarzo, relojes electrónicos, televisores en color, radios estéreo y grabadoras.
En los últimos años se han desarrollado muchos nuevos cristales piezoeléctricos, como el niobato de litio (LiNbO3) con estructura de perovskita y el tantalato de potasio (KTaO3).
Por analogía, la estructura de bronce de tungsteno del niobato de sodio y bario (Ba2NaNb5O15), la estructura en capas del niobato de litio y potasio (K1-xLiNbO3) y el germanato de bismuto (Bi 12GeO20). Utilizando el efecto piezoeléctrico de estos cristales, se pueden fabricar diversos dispositivos que se utilizan ampliamente en la industria militar y civil, como monitores de presión arterial, medidores de sonido respiratorio y cardíaco, teclados piezoeléctricos, líneas de retardo, osciladores, amplificadores, bombas piezoeléctricas y transductores ultrasónicos Energizador, transformador piezoeléctrico, etc.
5. Cristal de centelleo
Este tipo de cristal producirá fluorescencia cuando se excite con rayos X, formando un fenómeno de centelleo. El cristal de yoduro de sodio (Tl:NaI) dopado con talio fue el primer cristal de centelleo utilizado. La longitud de onda de luminiscencia del cristal se encuentra en la región de la luz visible, su eficiencia de centelleo es alta y es fácil cultivar monocristales de gran tamaño. Se utiliza ampliamente en la ciencia y la ingeniería nucleares.
Ampliamente utilizado en la industria. A principios de la década de 1980, el Instituto de Cerámica de Shanghai de la Academia de Ciencias de China cultivó con éxito monocristales de germanato de bismuto de gran tamaño (Bi 4Ge 3O12) utilizando el método de descenso en crisol. Debido a su gran capacidad para bloquear rayos de alta energía y su alta resolución, este cristal es particularmente adecuado para la detección de partículas y rayos de alta energía. Se utiliza ampliamente en campos de investigación como las partículas elementales, la física espacial y la física de altas energías, y se ha utilizado con éxito en el calorímetro electromagnético del colisionador electrón-positrón L3 del CERN. Desde entonces, el cristal de BaF2 se ha convertido en otro nuevo material de centelleo. Además de su aplicación en física de alta energía, el cristal también se utiliza en espectrómetros de aniquilación de positrones en física de baja energía, mejorando la resolución y la eficiencia de conteo del espectrómetro.
Todos han sido muy mejorados. Además, se puede utilizar para inspeccionar explosivos ocultos, detección de petróleo, detección de minerales radiactivos y capas de emisión de positrones.
La fotografía analítica (PET para abreviar) tiene buenas perspectivas de aplicación.
6. Cristal acústico-óptico
Cuando las ondas de luz y las ondas de sonido golpean el cristal al mismo tiempo, habrá una interacción entre las ondas de sonido y las ondas de luz, que se pueden utilizar. para controlar el haz, como desviar el haz y cambiar la intensidad y frecuencia de la luz, etc. Este tipo de cristal se denomina cristal acústico-óptico, como el molibdato de plomo (PbMoO4), el dióxido de telurio (TeO2) y el tioarsenato de telurio (Tl 3AsS4). Usando estos cristales, las personas pueden fabricar varios dispositivos acústico-ópticos, como deflectores acústicos-ópticos, interruptores Q acústicos-ópticos, dispositivos de ondas acústicas de superficie, etc. Por lo tanto, estos cristales se utilizan ampliamente en escáneres y medidores de fotones lidar, televisión y pantallas grandes.
Almacenamiento óptico y comunicaciones láser para ordenadores.
7. Cristal fotorrefractivo
El cristal fotorrefractivo es el cristal más maravilloso entre muchos cristales. Cuando un láser débil externo irradia este cristal, los portadores del cristal se excitan, migran en el cristal y son recapturados, generando así un campo de carga espacial dentro del cristal. Luego, a través del efecto electroóptico, el campo de carga espacial cambia la distribución espacial del índice de refracción en el cristal, formando una rejilla de índice de refracción, produciendo así un efecto de desvitrificación óptica. El efecto fotorrefractivo se caracteriza por su efecto evidente bajo la influencia de una luz débil. Por ejemplo, en un experimento de yugo de fase autobombeado, un rayo láser de un milivatio puede interactuar con un cristal fotorrefractivo para generar una onda de yugo de fase, haciendo que la imagen distorsionada sea más clara que antes. Dado que la rejilla de índice de refracción no es local en el espacio y tiene un cierto desplazamiento de fase espacial con respecto a la franja de interferencia en la dirección del vector de onda, se puede lograr la conversión de energía entre haces de luz. Por ejemplo, en un experimento de acoplamiento de dos ondas, cuando una luz de señal débil y una luz fuerte interactúan en un cristal fotorrefractivo, la luz de señal débil se puede mejorar 1000 veces. Además, debido al efecto fotorrefractivo, los cristales fotorrefractivos tienen las siguientes propiedades especiales: se pueden almacenar 5.000 imágenes diferentes en un volumen de 3 cm3, y cualquiera de ellas se puede visualizar rápidamente y se pueden detectar con precisión tan solo 10-7-; cambio de distancia del metro; puede filtrar imágenes estáticas y rastrear los cambios de imagen que acaban de ocurrir e incluso puede simular la capacidad de pensamiento asociativo del cerebro humano; Por ello, una vez descubierto este cristal despertó un gran interés.
Los cristales fotorrefractivos actualmente valiosos incluyen titanato de bario (BaTiO3), niobato de potasio (KNbO3), niobato de litio (LiNbO3) y niobato de estroncio.
Serie de bario (Sr1-xBaxNb2O6), silicato de bismuto (Bi 12SiO20) y otros cristales. Entre ellos, el titanato de bario dopado con cerio (Ce:BaTiO3) fue desarrollado con éxito por primera vez por el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China en la década de 1990. Su excelente rendimiento ha dado lugar a avances en la investigación teórica y las aplicaciones prácticas de los cristales fotorrefractivos. En la actualidad, los cristales fotorrefractivos se han convertido en un nuevo tipo de cristal funcional, que muestra buenas perspectivas de aplicación en los campos del procesamiento óptico de imágenes e información, yugo de fase, almacenamiento holográfico, comunicaciones ópticas y redes neuronales informáticas ópticas.
3. Tendencia de desarrollo de la investigación sobre cristales
A medida que la comprensión de la gente sobre los cristales se profundiza, la dirección de la investigación sobre cristales ha cambiado gradualmente. La tendencia de desarrollo general es: del estado cristalino al estado amorfo. ; de monocristal en masa a cristal de película delgada; de red ordinaria a superred; de función única a multifuncional; de inorgánico a orgánico; Además, dada la importancia de reconocer plenamente la relación entre la estructura cristalina y las propiedades, la gente ha comenzado a explorar varios cristales nuevos a través del diseño molecular. Y con la aparición y el desarrollo de los cristales y nanocristales fotónicos, la comprensión de la humanidad sobre los cristales ha dado un nuevo salto. Creo que en un futuro próximo habrá más variedades de cristales, mejor rendimiento y una gama más amplia de aplicaciones.
En definitiva, los cristales no sólo son bonitos, sino también útiles. Contiene un rico contenido y es una preciosa riqueza para la humanidad. Pero hasta ahora, la comprensión que la gente tiene sobre este tema es sólo la punta del iceberg, y todavía hay muchas áreas desconocidas esperando que exploremos.
(Wang Wanyan, Instituto de Física, Academia China de Ciencias, PhD, Beijing 100080)