단결정
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1. 개요
단결정은 원자 또는 분자가 규칙적인 격자 구조를 이루며 배열된 고체로, 제조 방법은 용융, 고체, 기상, 용액 성장법으로 분류된다. 초크랄스키법, 브리지먼 기법, 화학 기상 증착, 수열 합성 등 다양한 기술이 사용되며, 실리콘, 사파이어, 게르마늄 등 다양한 물질의 단결정이 활용된다. 단결정은 반도체, 광학, 고성능 재료, 기초 과학 연구 등 다양한 분야에 응용되며, 특히 실리콘 단결정은 반도체 제조에 필수적이다.
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2. 제조 방법
단결정 제조 방법은 크게 용융, 고체, 기상, 용액 성장법으로 나뉜다.[24] 각 방법은 원료 물질과 원하는 결정의 특성에 따라 선택된다.
현대에는 초크랄스키법(CZ), 부유대 (영역 이동), 브리지먼 기법 등이 주로 사용된다. 벨 연구소의 틸(Teal) 박사와 리틀(Little) 박사는 최초로 초크랄스키법을 사용하여 Ge와 Si 단결정을 만들었다.[6] 화학 기상 증착(CVD)과 같은 새로운 기술도 개발되어 고품질 단결정 성장에 기여하고 있다.
금속 단결정의 경우, 제작 기술에는 에피택시와 고체 내의 비정상적인 결정립 성장이 포함된다.[9] 에피택시는 기존 단결정 표면에 동일하거나 다른 재료의 매우 얇은(마이크로미터에서 나노미터 규모) 층을 증착하는 데 사용된다.[10]
수정된 키로풀로스법을 사용하여 고품질 300kg 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있다.[8] 베르누이법은 CZ 이전인 1900년대 초 루비를 제조하는 데 사용되었다.[5]
thumb으로 성장시킨 단결정 석영 막대]]
초단파 펄스 레이저를 이용하여 결정핵을 생성하는 방법도 개발되고 있다.[48]
2. 1. 용융 성장법
초크랄스키법(CZ)은 큰 단결정(일명 부울)을 생산하는 기술 중 하나이다. 벨 연구소의 Teal 박사와 Little 박사는 최초로 초크랄스키법을 사용하여 Ge와 Si 단결정을 만들었다.[6] 이 방법은 고온에서 녹인 원료 물질에 종자 결정을 담가 회전시키면서 서서히 끌어올려 단결정을 성장시키는 방식으로, 주로 실리콘 단결정 생산에 사용된다.브리지먼 기법도 큰 단결정을 생산하는 데 사용된다.[24] 이 방법은 도가니에 원료를 넣고 고온에서 용융시킨 후, 서서히 냉각시켜 단결정을 성장시킨다.
2. 2. 기상 성장법
화학 기상 증착(CVD)은 기체 상태의 원료 물질을 기판 위에 증착시켜 단결정 박막을 성장시키는 방법으로, 그래핀 등 다양한 물질의 단결정 성장에 활용된다. 승화법은 고체 상태의 원료를 가열하여 기체로 승화시킨 후, 저온의 기판에 재결정화시켜 단결정을 성장시키는 방법이다.[7]2. 3. 용액 성장법
유기 화합물이나 무기 염의 단결정은 용질을 용매에 녹인 용액을 천천히 냉각하거나 용매를 서서히 증발시켜 얻을 수 있다. 이때 냉각이나 증발 속도가 너무 빠르면 다결정이나 쌍정이 생기기 쉬우므로 주의해야 한다.[47] 작은 결정을 종자로 넣어 결정화를 촉진하기도 한다.[47]분자량이 크고 무른 단백질은 중력 때문에 구조가 왜곡되어 깨끗한 단결정을 얻기 어렵다. 이를 해결하기 위해 강자장[49]이나 우주정거장[50] 등 미소중력 환경에서 결정을 만들기도 한다.
3. 응용 분야
단결정 기술은 반도체 제조에 필수적인 실리콘 단결정을 비롯하여 다양한 산업 분야에서 중요하게 활용된다.[13][14]
제트 엔진 등 가스터빈 엔진의 터빈 블레이드에는 고온 크리프 강도가 요구되어 니켈 기반 내열합금 단결정 주조재료 등이 사용된다.
X선 결정 구조 분석(단결정 X선 회절)은 유기 및 생체 분자, 무기 화합물의 분자 구조와 결정 구조를 결정하는 데 사용된다. 이 방법은 결정 격자 내 각 원자의 위치 정보를 제공하여 단백질이나 희귀 생체 분자 구조 분석에 이용되어 분자생물학 및 약학 분야 발전에 기여하고 있다.[47]
3. 1. 반도체 산업
단결정 실리콘은 반도체 소자 제작의 핵심 재료로, 집적 회로, 태양 전지 등에 사용된다.[13][14] 초크랄스키법과 부유 영역법은 실리콘 단결정 성장에 널리 사용되는 방법이다.[16]그래핀 단결정은 높은 전하 이동도와 열전도율로 인해 차세대 전자 소자 및 광전자 소자 응용 분야에서 주목받고 있다.[18]
유기 반도체 단결정은 무기 결정과 달리 낮은 녹는점, 높은 증기압, 높은 용해도를 가진다.[20] 높은 전하 운반자 이동도를 가진 열적으로 안정적인 재료를 찾기 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 과거에는 나프탈렌, 테트라센, 9,10-디페닐안트라센(DPA) 등이 발견되었다.[22]
3. 2. 광학 분야
- - 단결정은 분자가 엄격한 순서로 배열되어 있고 입계가 없다는 점에서 단일 결정립으로 독특한 물리적 특성을 지닌다.[24] 여기에는 광학적 특성도 포함되며, 실리콘 단결정은 특정 적외선(IR) 파장에서의 투명성 때문에 광학 창으로도 사용되어 일부 기기에 매우 유용하다.[3]
사파이어: 과학자들에게는 산화알루미늄(Al2O3)의 알파 상으로도 알려진 사파이어 단결정은 첨단 공학 분야에서 널리 사용된다. 기체, 고체 또는 용액 상에서 성장시킬 수 있다.[8] 성장 방법에 따른 결정의 직경은 이후 전자적 용도를 고려할 때 중요하다. 레이저와 비선형 광학에 사용된다. 생체 인식 지문 판독기의 창, 장기간 데이터 저장을 위한 광디스크, X선 간섭계 등이 주목할 만한 용도이다.[24]
인듐 인화물: 이러한 단결정은 대구경 기판을 가진 광섬유 형태로 광전자 장치와 고속 전자 장치를 결합하는 데 특히 적합하다.[25] 다른 광자 장치에는 레이저, 광검출기, 애벌랜치 광 다이오드, 광 변조기 및 증폭기, 신호 처리, 광전자 및 광자 집적 회로가 포함된다.[26]
게르마늄: 이것은 1947년 바딘, 브래튼, 쇼클리에 의해 발명된 최초의 트랜지스터에 사용된 재료이다. 일부 감마선 검출기와 적외선 광학에 사용된다.[27] 현재는 고유 캐리어 이동도 때문에 초고속 전자 장치의 중심이 되고 있다.[26]
텔루르화 카드뮴: CdTe 단결정은 적외선 이미징, 전기 광학 장치 및 태양 전지의 기판으로 여러 가지 응용 분야를 가지고 있다.[28] CdTe와 ZnTe를 합금하여 상온 X선 및 감마선 검출기를 만들 수 있다.[26]
3. 3. 고성능 재료
단결정 고체는 크리프가 낮은 고강도 재료가 필요한 분야에 응용된다. 예를 들어 터빈 블레이드 생산에 사용된다.[36] 터빈 블레이드에서 입계의 부재는 항복 강도를 감소시키지만, 고온, 엄격한 공차 부품 응용 분야에 중요한 크리프량을 감소시킨다.[37] 연구원 Barry Piearcey는 주형에서 직각으로 구부리는 것이 주상 결정의 수를 줄일 수 있다는 것을 발견했고, 나중에 과학자 Giamei는 이를 이용하여 터빈 블레이드의 단결정 구조를 시작했다.[38]
제트 엔진을 비롯한 가스터빈 엔진의 터빈 블레이드에는 고온에서의 크리프 강도가 요구된다. 이러한 요구를 충족하기 위해 니켈 등을 기반으로 한 내열합금 단결정 주조재료 등이 사용된다.
3. 4. 기타 연구 분야
응축물질물리학, 재료과학(표면과학 등)을 비롯한 여러 기초 과학 연구 분야에서 단결정은 필수적이다.[24] 브래그 회절, 헬륨 원자 산란 등의 기술을 이용한 재료의 결정 구조 연구는 단결정을 사용하면 더 쉽다.[39] 각분해 광전자 분광법, 저에너지 전자 회절과 같은 기술은 단결정 표면에서만 가능하다.[40][41] 초전도체 중에서는 단결정에서만 초전도 현상이 나타나는 재료도 있다.[42]금속-유기 골격체(MOF)는 단결정 형태로 연구되는 새로운 분야 중 하나이다. 2021년에는 다환 방향족 리간드를 최적화하여 최대 200 μm 크기의 2차원 MOF 단결정을 생성하는 방법이 보고되었다.[43]
광구동 변환 분야에서는 단결정 대 단결정(SCSC) 변환 연구가 진행되고 있다. 이는 분자 운동을 관찰하고 메커니즘을 이해하는 데 도움을 준다.[44]
X선 결정 구조 분석(단결정 X선 회절)은 유기 분자, 생체 분자, 무기 화합물의 분자 구조 및 결정 구조를 결정하는 데 사용된다. 이 방법은 결정 격자 내 각 원자의 위치에 대한 정보를 제공하여 단백질이나 희귀한 생체 분자 구조 분석에 이용된다.[47]
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