无需熔融 固-固转变制备单晶新方法诞生

材料牛注：里海大学的材料学家和物理学家研究出了制造单晶的新方法，该方法可使更多的材料用于微电子，太阳能设备和其他高技术应用中。

研究团队认为该发现为玻璃及其他原子结构原本无序的材料开创了一种制成类似硅单晶的方法，从而使这些材料在高科技应用中具备优异的性能，例如激光器和光发光二极管（LED）。

里海大学材料科学与工程学院的Jain教授认为：“多晶材料晶体间的晶界相对薄弱或结合不佳，因而性能不好。而单晶没有晶界，因而具有优越的性能，在腐蚀环境下机械性能依然很好，而且导电性好，透光性强。”

Jain介绍，硅的单晶通过熔融生长而成，但这一制备方法导致许多材料发生分解或改变成分，从而丧失效用，因此并不能广泛应用。

因此，Jain团队使用新的加热方法使玻璃转变为单晶，该过程为固-固转变且无需形成不必要的晶体或晶核。 “通过空间定位激光加热，在形成玻璃合适的组分前，全固态玻璃转化为晶体的过程中没有外来核的形成。”

单晶中材料的所有原子按照有序的三维晶格结构排列。为了形成大的单晶硅，科学家们从熔化的单晶硅中取出一个微小的晶体。熔化的硅原子以晶格结构沉积在籽晶上；随着溶液的冷却，单晶硅就形成了。单晶的大小取决于晶体被牵引的速度。

而Jain团队用一种截然不同的方法生成Sb2S3这种硫族玻璃的单晶。为了让玻璃种生成单晶，团队用激光将玻璃从室温加热到远低于熔点的结晶温度。电子衍射和彩色显微图片使研究团队监测原子排列方向，从而在样品不同地点实现单晶化。

Jain介绍，在固态玻璃中形成单晶，发生在加热和停止之后，对应于硅单晶生成是熔化后冷却。他们的目标是在没有其他晶体成核的情况下，用足够的热量使玻璃中杂乱无章的原子形成单晶。“我们希望只有一个晶核形成。如果得到多个核，最终形成的就是多晶陶瓷材料，这与我们的理想不符。”

为了防止外来核的形成，该团队使用聚焦激光以限制玻璃被加热的体积，只允许一个晶核的形成，之后该晶核迅速生长为单晶。

该小组还提出了第二策略——使用预先设计的由锑，硫，碘（SB-S-I）组成的玻璃。在单晶形成和生长的过程中，碘从晶体中移出并进入邻近玻璃中，从而抑制成核。

该研究成果已发表于Scientific Reports上。

原文参考网址：Single crystals from glass could expand high-tech materials

感谢材料人编辑部杨志涛提供素材