Cuando se trata de crear nuevos materiales, Los monocristales juegan un papel importante al presentar una imagen más clara de las propiedades intrínsecas de un material. Un material típico estará compuesto por muchos cristales más pequeños y los límites de grano entre estos cristales pueden actuar como impedimentos, afectando propiedades como la resistencia eléctrica o térmica.

"Esos límites pueden tener efectos profundos, Ambos, bueno y malo, ", dijo el científico de materiales de Ames Laboratory y subdirector Tom Lograsso." En general, un material que tiene cristales cada vez más pequeños en realidad tiene propiedades mecánicas mejoradas ".

Una excepción a esta regla es que a alta temperatura, relativo al punto de fusión, los cristales pequeños pueden tener una tendencia a deslizarse unos sobre otros, una propiedad llamada creep. Es por esta razón que las palas de las turbinas en algunos motores a reacción o generadores se forman en realidad a partir de monocristales de aleación a base de níquel. Algunas otras aplicaciones cotidianas que utilizan monocristales son semiconductores, detectores, como sensores infrarrojos o de radiación, y láseres.

"El componente activo de un láser es un monocristal, "dijo Lograsso, quien también es profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Iowa, "porque los límites de los granos de cristal dispersarían la luz".

Desde el punto de vista de la investigación, especialmente al crear un nuevo material, los científicos quieren eliminar tantas variables como sea posible para comprender mejor las propiedades de un material. Una forma principal de hacer esto es comenzar con materias primas que sean lo más puras posible y producir el material como un solo cristal. "No quieres defectos en la estructura cristalina y no quieres impurezas, que puede ser una fuente de nucleación adicional, "Lograsso dijo." Los nuevos materiales pueden tener nueva física, y podemos determinar cuáles son si hacemos mediciones en una limpieza, muestra prístina (es decir, monocristal). Y si lo hacemos de manera constante, podemos hacer comparaciones con otros materiales y ver cómo encaja en nuestra comprensión de comportamientos particulares ".

Los científicos del Laboratorio Ames emplean una serie de técnicas para cultivar monocristales, cada uno de ellos adecuado para producir cristales a partir de diferentes tipos de materiales. Sin embargo, la premisa básica es la misma:sobresaturar una solución, luego precipite el cristal.

"De niños, estamos familiarizados con agregar sal de roca o azúcar al agua caliente hasta que sobresatura el líquido, "Lograsso dijo." Entonces, a medida que el agua se enfría y finalmente comienza a evaporarse, Los cristales de sal o azúcar comienzan a formarse y luego crecen.

"Puede hacer lo mismo con dos materiales, usando uno como solvente y luego usando calor o altas temperaturas para sobresaturar el solvente, ", continuó." La parte difícil es hacer que un solo cristal se forme primero y luego crezca ".

Este "arte del practicante" requiere paciencia y habilidad, aunque las diversas técnicas descritas aquí también proporcionan cierta ayuda. Generalmente, un gradiente de alta temperatura también ayuda a promover una transición de crecimiento estable de líquido a sólido.

Técnica de Bridgman

Uno de los métodos más conocidos, la técnica Bridgman, llamada así por el físico de Harvard Percy Williams Bridgman, utiliza un crisol con una punta puntiaguda extremo cónico. Esta punta fina promueve el crecimiento de un solo cristal cuando el crisol sale de la parte calentada del horno. El calor se proporciona a través de un elemento calefactor similar al de un horno doméstico (resistencia) o mediante un campo magnético (inducción).

"Los crisoles envejecen con el tiempo y mejoran en la producción de monocristales, "Lograsso dijo." Desafortunadamente, a veces rompes el crisol quitando el cristal. Porque crecen dentro de un crisol, los cristales formados de esta manera también pueden desarrollar tensiones como grietas o huecos ".

El laboratorio Ames también tiene un horno Bridgman especial que permite el crecimiento de cristales a presiones más altas, hasta 15 bar. Esto permite el crecimiento de cristales a partir de aleaciones que contienen componentes volátiles. La alta presión evita que estos componentes, que tienen un punto de ebullición más bajo que otros componentes de la aleación, de parpadear como vapor antes de que se pueda formar el cristal.

Este horno utiliza calentamiento por inducción, que proporciona un gradiente de temperatura más pronunciado, permitiendo tasas de crecimiento de cristales más rápidas para minimizar aún más la evaporación y la reacción con el crisol.

Técnica de Czochralski

Este método también calienta el material en un crisol, pero aquí, el cristal se extrae realmente de la solución fundida. Lograsso lo compara con mojar una vela "excepto que sólo se moja una vez".

Un cristal semilla del material se adjunta al extremo de una varilla. La varilla se baja hasta que el cristal semilla apenas toca la superficie del material fundido en el crisol. Luego, la varilla se gira y se retira muy lentamente, tirando del cristal recién formado del líquido.

"Debido a que el cristal es independiente, no tiene el estrés que a veces se produce con el método Bridgman, "Dijo Lograsso." Dependiendo del material, los cristales también pueden tener 60 cm de diámetro, o más grande, y varios pies de largo. Este es un método muy común para producir grandes cristales de silicio que se cortan en obleas para su uso en semiconductores ".

Técnica de la zona de flotación

La técnica de la zona de flotación óptica utiliza luz de alta intensidad para crear monocristales, particularmente los que contienen óxidos metálicos. Según el científico asociado Yong Liu, la técnica ofrece un par de ventajas para el cultivo de muchos tipos de cristales.

"No tiene contenedores:no necesita ni usa un crisol para hacer crecer el cristal, por lo que elimina cualquier reacción potencial entre la muestra y el contenedor, "Dijo Liu." Debido a que la zona de fusión es muy concentrada y estrecha, podemos lograr un gradiente de temperatura muy grande entre las fases sólida y líquida, lo que da como resultado un crecimiento de cristales de alta calidad ".

Un horno de zona de flotación óptica típico consta de cuatro bombillas halógenas de alta potencia dispuestas en un anillo alrededor de la muestra. Los reflectores semiesféricos alrededor de cada bombilla enfocan la energía de la luz intensa en una banda estrecha alrededor de la muestra a temperaturas de hasta 2ºC. 100 grados centígrados.

El propio lingote de muestra comienza en dos piezas. El lado más corto de la "semilla" está en la parte inferior y se mantiene en una base. El lado más largo de "alimentación" está suspendido muy cerca del lado de la semilla. A medida que los dos lados comienzan a derretirse, un pequeño charco de líquido se acumula en cada superficie y, a medida que se acercan, la tensión superficial de los charcos se conecta para formar una banda en forma de reloj de arena de material fundido entre la semilla y los lados del alimento.

Girando los dos lados en direcciones opuestas, la muestra líquida se "agita" eficazmente para asegurar una distribución uniforme del material en la zona de fusión. Luego, la muestra se baja lentamente a través del círculo de luz enfocado, permitiendo que la estrecha zona de fusión se derrita progresivamente, mezclar y solidificar su camino hacia el lado de alimentación de la muestra.

"Para materiales con baja presión de vapor, podemos hacer crecer cristales a un ritmo de un milímetro por hora, ", Dijo Liu." Podemos utilizar la técnica en una variedad de materiales, pero siempre comenzamos con el diagrama de fases (una especie de mapa de crecimiento) para determinar si es posible. No podemos cultivar cristales con alta presión de vapor o que puedan ser tóxicos con este método ".

Crecimiento de solución / flujo

Mientras que los otros tres métodos funcionan bien para materiales donde se conoce el resultado cristalino, Los investigadores también buscan descubrir y hacer crecer monocristales de nuevos binarios, ternario, compuestos cuaternarios o superiores. En muchos casos, los materiales de estos compuestos no se derriten de manera congruente, lo que significa que no se derriten a una sola temperatura.

"El crecimiento de la solución es extremadamente versátil, y a menudo puedes optimizarlo y recorrerlo rápidamente, ", dijo el físico del Laboratorio Ames y profesor distinguido de la Universidad Estatal de Iowa, Paul Canfield." En general, no te da un cristal tan grande, pero para medidas físicas básicas, algo entre un milímetro y un centímetro es más que adecuado ".

En la práctica, los compuestos del cristal objetivo se combinan con un material que servirá como solución en la que se disolverá el compuesto cristalino. Por ejemplo, cultivar un cristal de cerio-antimonio a partir de una solución de estaño, o flujo, puede comenzar con el cuatro por ciento de Ce y Sb con el otro 92 por ciento de Sn.

Los materiales entran en un crisol de "crecimiento" que se empareja con un crisol de "captura". Luego se sellan en un tubo de sílice. El conjunto de tubos se coloca en un horno y se calienta para que todos los elementos se derritan. Luego, la temperatura se reduce más cerca del punto de fusión del elemento de solución, permitiendo que se forme el cristal objetivo. En el ejemplo de flujo Ce-Sb en Sn, la temperatura inicial es aproximadamente 1, 000 grados Celsius, luego bajado a 600 grados.

Para luego separar el estaño líquido del cristal Ce-Sb, el conjunto de tubos se retira del horno y se coloca inmediatamente en una centrífuga, que hace girar el estaño líquido restante en el crisol de captura, dejando el cristal atrás. La centrífuga ofrece hasta 100 veces la fuerza de la decantación gravitacional simple, resultando en cristales "más limpios".

"Cuando desarrollas nuevos materiales, necesita estar familiarizado con los ingredientes y las técnicas a mano, ", dijo Canfield." Con el crecimiento de la solución, podemos pasar de mirar superconductores y ferroimanes, girar vasos, a los cuasicristales, pasar de un material a otro, a otro, simplemente cambiando elementos o condiciones de crecimiento. En el transcurso de 20 años aquí, nos estamos acercando a 10 mil crecimientos diferentes ".