[추가학습] 단결정과 결정 성장

일단 단결정이 무엇인지부터 알아보자

 

우선 위키피디아의 설명부터 들어보자

 

A single crystal or monocrystalline solid is a material in which the crystal lattice of the entire sample is continuous and unbroken to the edges of the sample, with no grain boundaries. The absence of the defects associated with grain boundaries can give monocrystals unique properties, particularly mechanical, optical and electrical, which can also be anisotropic, depending on the type of crystallographic structure. These properties, in addition to making them precious in some gems, are industrially used in technological applications, especially in optics and electronics.

 

우선 이 문장을 공부해보면

monocrystalline 또한 single crystal과 같은 의미로 사용되는 것을 알 수 있다.

 

crystal lattice는 무엇일까?

우선 crystal(결정)이라는 단어부터 정확히 공부해보자

고체는 모두 결정 구조를 가지고 있는데,  결정(crystal)이란 원자가 정확하게 같은 패턴으로 반복되어 늘어서 있는 것을 뜻한다. 

 

아래는 H2O의 crystal structure이다.

 

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_structure

 crystal lattice = 어떻게 원자들이 배열되어 있는가?

 

다시 원문으로 돌아와 해석해보면

A single crystal or monocrystalline solid is a material in which the crystal lattice of the entire sample is continuous and unbroken to the edges of the sample, with no grain boundaries. 

 

즉 단결정은 전체의 sample이 전부 끊김없이 연속적으로 이어져있는 것이라는 것이다.

 

with no grain boundaries에서

grain boundary는 결정립계와 같은 말인데,

결정립계는 서로 다른 결정 방향을 갖는 결정

 

 

 

그림으로 보면 이해가 쉽다.

 

the absence of the defects associated with grain boundaries can give monocrystals unique properties, particularly mechanical, optical and electrical, which can also be anisotropic, depending on the type of crystallographic structure. 

 

grain boundaries에서 오는 결함의 본질은 (grain boundaries에서 결함이 발생하게 되는 것 같다)

단결정의 특이한 특성을 주게 된다. 결정구조의 type에 의존하는 여러 분야에 있어서

 

grain boundary에 왜 결함이 발생하게 되는걸까?

구글링을 통해 답을 찾아봤다.

 

A grain boundary (GB) is the interface between two grains, or crystallites, in a polycrystalline material. Grain boundaries are defects in the crystal structure, and tend to decrease the electrical and thermal conductivity(열전도률) of the material.

앞에는 이미 알던 내용 / 뒤에는 grain boundary가 물질의 전기,열전도률을 감소시키는 경향이 있다고한다.

이 말만 들어도 왜 없어야 하는지 직감적으론 감이 온다. 허나 뒤를 더 읽어보자 

 

A grain boundary is a general planar defect that separates regions of different crystalline orientation (such as grains) within a polycrystalline solid. Grain boundaries are usually the result of uneven growth when the solid is crystallizing. Grain sizes vary from 1 µm to 1 mm.

다시 grain boundary에 대한 알던 설명, 영어 실력이 부족해서 이게 맞아! 라고는 못하겠지만 내 느낌으로는 grain boundary에서 오는 defect라기 보다 해당 글만 봤을땐 grain boundary =  defect라고 말하는 듯하다.

 

Most grain boundaries are preferred sites for the onset of corrosion and for the precipitation of new phases from the solid. They are also important to many of the mechanisms of creep. On the other hand, grain boundaries disrupt the motion of dislocations through a material, so reducing crystallite size is a common way to improve the strength of a material.

대부분의 grain boundry는 부식의 시작과 침적의 부분으로 선호된다고 한다. 점점 답이 명확해지는 듯 하다.

또한 grain boundary는 전위의 motion을 방해한다고 적혀있고 그래서 결정 크기를 줄이는게 물질의 strength를 향상시킨다고 적혀있다. 정확히는 어떤 의미인지는 모르겠으나 왜 Grain boundary에 결함이 발생하는 것인지 grain boundary가 왜 있으면 안되는지 알아냈으니 추후에 공부해보자!

 

이제 결정 성장이 뭔지 알아볼 차례다

 

결정 성장(Crystal growth)는 쉽게 말해 다결정 실리콘을 단결정 실리콘으로 바꾸는 과정이다.

우선 모래(SiO2)에서 다결정 실리콘을 만들고

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SiO2(모래 + 탄소) 가열(1900 ℃ 이상) → 화학처리(증류 및 정제) → 순도 98% 실리콘

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주로 초크랄스키 단결정 성장(Czochralski Crystal Growth) 방법으로 주로 이용한다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=xftnhfa-Dmo < 영상 설명

 

polycrystalline(다결정) 실리콘을 도가니에 투입하여 열을 가해 녹이고

녹아있는 실리콘 용액 위에 single crystal slicon seed를 접촉시킨다.

그 후 seed를 회전시키면서 위로 끌어올림

seed가 서서히 끌어올려지면서 점진적으로 굳어지며 single crystal slicon이 만들어진다.