Pojedynczy kryształ

Krzem monokrystaliczny ( wlewka ) do produkcji wafli

Monokrystalicznego lub monokryształ jest makroskopową kryształów , których budowa bloków ( atomy , jony lub cząsteczki ) tworzą jednolitą, ciągłą, jednorodną krystaliczną . To odróżnia monokryształy od agregatów polikrystalicznych , kryształów bliźniaczych czy substancji amorficznych ( szkła ).

Klasyfikacja chemiczna

Analogicznie do klasyfikacji wszystkich substancji chemicznych , monokryształy można podzielić na dwie podstawowe grupy ze względu na ich budowę chemiczną:

• Pierwiastki chemiczne : Monokryształy pierwiastków półprzewodnikowych krzemu i (obecnie rzadziej) germanu są masowo stosowane w urządzeniach elektronicznych - najczęściej w postaci płytek . Duże monokryształy są wytwarzane przez zaszczepienie stopionego materiału wyjściowego małym monokryształem ( kryształem zaszczepiającym ) w procesie Czochralskiego (wyciąganie w tyglu). Inną możliwością jest proces topienia strefy .

Pojedyncze kryształy do ​​celów jubilerskich, tutaj diamenty o szlifie brylantowym

Diament modyfikowany węglem jest często używany jako pojedynczy kryształ, nie tylko w postaci diamentów jako biżuterii, ale także jako narzędzie tnące, na przykład w niektórych nożach do szkła .

• Związki chemiczne : Technicznie stosowane są różne monokryształy wykonane z mniej lub bardziej złożonych związków, na przykład arsenek galu w elektronice lub technologii wysokiej częstotliwości, niobian litu w optyce nieliniowej lub szafir jako bardzo stabilne okno.

Wniosek o analizę

Analizy strukturalnej wyjaśnić kryształu lub struktur cząsteczkowych jest standardowym sposobem w chemii i biochemii. Warunkiem tego jest jednak krystalizacja , co może być bardzo trudne, zwłaszcza w przypadku cząsteczek biologicznych. Najlepiej byłoby, gdyby badanie było prowadzone na pojedynczym krysztale. Czasami jest to niemożliwe, ponieważ nie ma wystarczającej liczby pojedynczych kryształów substancji. Obecnie jest to możliwe, aby ocenić ten wzór dyfrakcji proszków krystalicznych w ramach analizy strukturalnej, ale informacje są utracone w wyniku nakładania się maksimów dyfrakcji, tak że wyniki są gorszej jakości. Ale nawet monokryształy , które zostały wyhodowane w skomplikowany sposób , nadal mają defekty sieci .

Aby określić strukturę związków chemicznych za pomocą promieni rentgenowskich (które można również wygenerować za pomocą synchrotronu ) lub wiązek neutronów , monokryształy są wymagane do określenia m.in. dokładnych długości wiązań i rozmieszczenia atomów w cząsteczka. Użyte do tego kryształy są w większości mniejsze niż milimetr. Nawet w przypadku makrocząsteczek , związków makrocyklicznych i produktów naturalnych , w tym białek , DNA i RNA , analiza struktury pojedynczego kryształu może być stosowana do określenia struktur trójwymiarowych aż do rozdzielczości atomowej, jeśli można uzyskać monokryształy.

Zastosowanie mechaniczno-techniczne

Monokryształy są wykorzystywane w technologii ze względu na ich powtarzalne właściwości. Ponieważ nie mają prawie żadnych granic ziaren ani innych wad strukturalnych, na przykład zwiększa się wytrzymałość mechaniczna materiału. Więc z. B. łopatki turbiny wykonane z monokrystalicznego nadstopu na bazie niklu . Te monokryształy mają jednorodne ułożenie struktury sieciowej, ale z pewnością mogą mieć kilka faz .

Powierzchnie monokrystaliczne i kryształy dwuwymiarowe

Powierzchnie nieorganicznych monokryształów są również monokrystaliczne. Można je rozumieć jako dwuwymiarowe monokryształy, jeśli spojrzy się tylko na warstwę wierzchnią i są przedmiotem badań z zakresu chemii powierzchni i fizyki. Powierzchnie monokrystaliczne o niskim indeksie to m.in. B. Si (111), Ag (100) lub Au (110). Na tych powierzchniach atomy układają się na płaskich tarasach, które przerywane są przeważnie krokami monoatomowymi. Adsorbaty wykazują na tych etapach inne zachowanie niż na obszarach gładkich atomowo. Jeżeli na powierzchnie monokrystaliczne nakładana jest pojedyncza warstwa cząsteczek organicznych, to samoorganizujące się monowarstwy uzyskuje się zwykle przy niskim pokryciu . Te warstwy organiczne, które mają tylko jedną warstwę molekularną, można określić jako dwuwymiarowe monokryształy, analogicznie do nieorganicznych powierzchni monokrystalicznych. Podobnie jak w przypadku monokryształów składających się z atomów, cząsteczki są tutaj również wysoce uporządkowane. Grafen , wolnostojąca warstwa atomów węgla , nie ma dalekosiężnego uporządkowania krystalicznego, jak oczekiwano, bez płaskiej powierzchni i tworzy falistą strukturę defektów.

literatura

• Burkhard Altekrüger, Martin Gier: Uprawa monokryształów krzemu o średnicy 300 mm. W: Próżnia w badaniach i praktyce. 11, nr 1, ISSN  0947-076X , 1999, s. 31-36, doi : 10.1002/vipr.19990110110 .

Indywidualne dowody

1. ↑ Jacqueline Wahl, Ken Harris: Nowe superstopy monokryształowe – przegląd i aktualizacja . W: MATEC Web of Conferences . taśma 14 , 2014, ISSN  2261-236X , s. 17002 , doi : 10.1051/matecconf/20141417002 ( matec-conferences.org [dostęp 26 lipca 2020]). 
2. ↑ Thomas Waldmann, Christina Nenon, Katrin Tonigold, Harry E. Hoster, Axel Groß, R. Jürgen Behm: Rola defektów powierzchniowych w adsorpcji dużych cząsteczek organicznych: efekty konfiguracji substratu. W: Chemia fizyczna Fizyka chemiczna. 14, nr 30, 2012, s. 10726, doi : 10.1039 / c2cp40800g .