从非晶态到单晶—单晶硅制备的新方法

材料牛注：利哈伊大学的材料科学家和物理学家已经研究出制备单晶的新方法，这会使得更多的材料能够应用到微电子、太阳能及其他高科技领域。

众所周知，单晶结构的固体材料通常拥有高科技应用所需的优异性能。例如，激光器和发光二极管（LED），就是在基板上通过极薄单晶膜的外延生长分层制得具有优异性能的半导体器件。

硅的单晶通常在熔化时生长，但熔化的高温会导致许多非常有用的物质分解而使材料失去效用。

多晶材料的微晶之间的晶界通常是薄弱处，往往会造成材料某些性能的不理想。

相比而言，单晶不存在晶界，因而具有优越的性能。它在强腐蚀环境中仍具有很优越的机械性能。此外，它还具有优越的电学性能和透光性能。

在3月18日的Scientific Report杂志上，利哈伊大学的研究人员报道了“通过固-固转变进行玻璃单晶生长”的研究。

他们使用一种新的加热方式将玻璃态材料转变为单晶体，此过程无需经过气相或液相，也不产生非目标晶相和晶核。

“第一个全固态非晶材料转为晶体的实验准确地证明了，通过空间局部激光加热和引入合适的玻璃形成体，可以避免不必要的成核过程，”杂志中如此评价他们的研究。

在单晶中，材料中的所有原子排列成完美有序的三维晶体结构。为了制备更大的单晶硅，研究人员将单晶硅的微小的籽晶放入熔体内，而后向上提拉籽晶。熔融硅内的原子附着在籽晶表面，形成晶格。熔体冷却后形成单晶的大小取决于籽晶提拉速度的快慢。

该研究团队设计出一种类似方法制备锑硫化物（硫化锑）玻璃的单晶。该团队采用激光做为热源，将玻璃从环境温度到加热到结晶温度（远低于熔点），进而诱导结晶。电子衍射和电子显微镜的颜色图使研究人员能够检测原子结构的取向，并证明在样品上不同位置的单晶结晶度。

晶体的形成发生在受热与停止加热的间隔中，以硅为例，它在熔体冷却过程中发生结晶过程。这可以通过由激光扫过玻璃形成的划痕观察到，玻璃的熔化过程会消除划痕并使表面变光滑。

一旦他们做出单晶线，他们会重复上述过程来得到平行的单晶线，并最终在玻璃表面形成了单晶层。他们可以“缝合”这些平行的单晶线从而整个表面转换成单晶。

该团队的目标是施加足够的热量到玻璃中，这样玻璃中杂乱无章的原子将有序排列成单晶，而且不会触发不必要的结晶成核作用。

“我们希望只形成单个晶核。如果形成多个核，最终会得到不具备预期性能的多晶陶瓷材料”，团队的研究人员说到。

为了防止过量晶核形成，该团队使用聚焦激光来限制受热玻璃的体积，只允许单个晶核形成。单个晶核会迅速成长为单晶。

该团队证明，过量的成核可以通过减小被加热区域的体积，或以极快的速度移动激光束来避免。

该小组还提出了依靠预先设计的由锑、硫、碘组成的玻璃来制备单晶的第二种方法。

毋庸置疑，这一科学进展为将玻璃等原子结构无序的固体材料转变成类似单晶硅的单晶结构开辟了道路。这意味着越来越大多的固体材料将会应用到微电子等高新领域。

原文参考链接：Lehigh scientists extend the reach of single crystals

感谢材料人网编辑部陈晓供稿！