결정 성장
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1. 개요
결정 성장은 핵 생성, 성장 메커니즘, 구동력, 확산 제어 성장, 형태 등 다양한 요인에 의해 결정되는 과정이다. 핵 생성은 동종 또는 이종 핵 생성으로 나뉘며, 이종 핵 생성은 외부 입자를 통해 더 빠르게 일어난다. 결정은 비균일 측면 성장 또는 균일 수직 성장 방식으로 성장하며, 표면의 확산 여부와 특이성에 따라 성장 메커니즘이 결정된다. 결정 성장의 구동력은 과냉각도에 의해 결정되며, 확산 제어 조건에서는 수지상 결정이 형성될 수 있다. 결정의 형태는 기계적 특성과 관련이 있으며, 위스커 성장은 고강도와 섬유상 형태를 나타낸다.
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| 결정 성장 | |
|---|---|
| 결정 성장 | |
| 정의 | 액체, 기체, 또는 비정질 고체로부터 새로운 결정상의 형성을 유발하는 공정 |
| 관련 분야 | 결정학 재료 과학 화학 |
| 기본 원리 | |
| 과포화 | 용액의 농도가 용해도 이상으로 높아지는 현상 |
| 핵생성 | 새로운 결정핵이 형성되는 과정 |
| 결정 성장 | 핵에 물질이 첨가되어 결정 크기가 커지는 과정 |
| 핵생성 유형 | |
| 균일 핵생성 | 다른 물질의 도움 없이 자체적으로 핵이 형성되는 과정 |
| 불균일 핵생성 | 이물질 표면에서 핵이 형성되는 과정 |
| 결정 성장 메커니즘 | |
| 연속 성장 | 표면에 원자가 지속적으로 부착되는 방식 |
| 층별 성장 | 2차원 핵이 형성되고 확장되는 방식 |
| 나선 성장 | 나사 전위 주변으로 원자가 부착되는 방식 |
| 결정 성장 방법 | |
| 용액 성장법 | 용액에서 용질을 과포화시켜 결정 성장시키는 방법 |
| 증기 성장법 | 기체 상태의 물질을 냉각시켜 결정 성장시키는 방법 |
| 융액 성장법 | 액체 상태의 물질을 서서히 냉각시켜 결정 성장시키는 방법 |
| 기술 및 방법 | |
| 관련 개념 | |
| 응용 분야 | |
| 반도체 산업 | 고품질 반도체 웨이퍼 제조 |
| 의약품 산업 | 약물 결정 형태 제어 및 정제 |
| 재료 과학 | 새로운 기능성 재료 개발 |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 결정, 결정 구조, 핵형성, 결정화 |
2. 핵 생성
핵생성은 외부 입자의 영향을 받지 않는 동종 핵생성 또는 외부 입자의 영향을 받는 이종 핵생성일 수 있다. 일반적으로 이종 핵생성은 외부 입자가 결정이 성장할 수 있는 비계 역할을 하여 새로운 표면을 만들 필요가 없고 초기 표면 에너지 요구 사항을 제거하므로 더 빠르게 발생한다.
이종 핵생성은 여러 가지 방법으로 발생할 수 있는데, 가장 전형적인 방법은 결정이 성장하는 용기에 작은 포함물이나 절단이 있는 경우이다. 유리 제품의 측면과 바닥의 긁힘이 여기에 해당한다. 결정 성장의 일반적인 관행은 용액에 실이나 돌과 같은 이물질을 첨가하여 핵생성 부위를 제공하여 결정 성장을 촉진하고 완전한 결정화 시간을 단축하는 것이다.
핵생성 부위의 수는 이러한 방식으로 제어할 수 있다. 새 유리 제품이나 플라스틱 용기를 사용하면 용기 표면이 너무 매끄러워 이종 핵생성을 허용하지 않으므로 결정이 형성되지 않을 수 있다. 반면 심하게 긁힌 용기는 많은 작은 결정 선을 생성한다. 적당한 수의 중간 크기 결정을 얻으려면 긁힌 자국이 약간 있는 용기가 가장 좋다. 마찬가지로, 작게 만들어진 이전 결정 또는 종자 결정을 결정 성장 프로젝트에 추가하면 용액에 핵생성 부위가 제공된다. 하나의 종자 결정만 추가하면 더 큰 단결정이 생성될 것이다.
2. 1. 동종 핵 생성
핵생성은 외부 입자의 영향을 받지 않는 동종 핵생성 또는 외부 입자의 영향을 받는 이종 핵생성일 수 있다. 일반적으로 이종 핵생성은 외부 입자가 결정이 성장할 수 있는 비계 역할을 하여 새로운 표면을 만들 필요가 없고 초기 표면 에너지 요구 사항을 제거하므로 더 빠르게 발생한다.
2. 2. 이종 핵 생성
이종 핵생성은 외부 입자의 영향을 받는 이종 핵생성을 말한다. 일반적으로 이종 핵생성은 외부 입자가 결정이 성장할 수 있는 비계 역할을 하여 새로운 표면을 만들 필요가 없고 초기 표면 에너지 요구 사항을 제거하므로 더 빠르게 발생한다.
이종 핵생성은 여러 가지 방법으로 발생할 수 있는데, 가장 전형적인 방법 중 일부는 결정이 성장하는 용기에 작은 포함물이나 절단이 있는 경우이다. 여기에는 유리 제품의 측면과 바닥의 긁힘이 포함된다. 결정 성장의 일반적인 관행은 용액에 실이나 돌과 같은 이물질을 첨가하여 핵생성 부위를 제공하여 결정 성장을 촉진하고 완전한 결정화 시간을 단축하는 것이다.
이러한 방식으로 핵생성 부위의 수도 제어할 수 있다. 새 유리 제품이나 플라스틱 용기를 사용하는 경우, 용기 표면이 너무 매끄러워 이종 핵생성을 허용하지 않으므로 결정이 형성되지 않을 수 있다. 반면에 심하게 긁힌 용기는 많은 작은 결정 선을 생성한다. 적당한 수의 중간 크기 결정을 얻으려면 긁힌 자국이 약간 있는 용기가 가장 좋다. 마찬가지로, 작게 만들어진 이전 결정 또는 종자 결정을 결정 성장 프로젝트에 추가하면 용액에 핵생성 부위가 제공된다. 하나의 종자 결정만 추가하면 더 큰 단결정이 생성되어야 한다.
3. 성장 메커니즘
안정적인 핵이 형성된 후에는 자유 입자(원자 또는 분자)가 핵에 흡착되어 핵 생성 지점으로부터 결정 구조를 바깥쪽으로 전파하는 성장 단계가 뒤따른다. 이 과정은 핵 생성보다 훨씬 빠르다. 실제 결정에는 전위 및 기타 결함이 포함되어 있어 기존 결정 구조에 입자를 추가하는 촉매 역할을 하기 때문에 빠르게 성장한다. 반대로, 완벽한 결정(결함이 없는)은 매우 느리게 성장한다.[3] 반면에, '''불순물'''은 결정 성장을 억제하는 역할을 할 수 있으며 결정 습성을 변경할 수도 있다.[4]
3. 1. 비균일 측면 성장
결정과 증기 사이의 계면은 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 분자 수준에서 날카로울 수 있다. 이상적인 결정 표면은 단일 층의 확산, 또는 그와 동등하게 층을 경계로 하는 성장 단계의 측면 전진에 의해 성장한다. 인지 가능한 성장 속도를 위해서는 열적 요동을 통해 핵생성이 일어나도록 핵생성 장벽을 충분히 낮추기 위해 유한한 구동력(또는 과냉각 정도)이 필요하다.[5] 용융 상태로부터의 결정 성장에 대한 이론에서, 버튼과 카브레라는 두 가지 주요 메커니즘을 구분했다:[6][7][8]표면은 한 층간 간격 높이(또는 그 정수배)인 단의 측면 이동에 의해 전진한다. 표면의 한 요소는 변화를 겪지 않으며, 단이 지나갈 때를 제외하고는 자신에게 수직으로 전진하지 않으며, 이때 단의 높이만큼 전진한다. 단을 서로 평행하고, 따라서 구성이 동일하며, 격자 평면의 정수배만큼 서로 떨어진 표면의 두 인접 영역 간의 전이로 간주하는 것이 유용하다. 여기서 확산 표면의 단 높이가 확산 표면의 두께보다 훨씬 작더라도 확산 표면에 단이 존재할 가능성이 뚜렷하게 나타난다.
3. 2. 균일 수직 성장
결정과 증기 사이의 계면은 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 분자 수준에서 날카로울 수 있다. 이상적인 결정 표면은 단일 층의 확산, 또는 그와 동등하게 층을 경계로 하는 성장 단계의 측면 전진에 의해 성장한다. 인지 가능한 성장 속도를 위해서는 열적 요동을 통해 핵생성이 일어나도록 핵생성 장벽을 충분히 낮추기 위해 유한한 구동력(또는 과냉각 정도)이 필요하다.[5] 용융 상태로부터의 결정 성장에 대한 이론에서, 버튼과 카브레라는 두 가지 주요 메커니즘을 구분했다.[6][7][8]표면은 단계별 성장 메커니즘의 필요 없이 스스로에 수직으로 전진한다. 이는 충분한 열역학적 구동력이 존재할 경우, 표면의 모든 요소가 계면의 전진에 기여하는 지속적인 변화를 할 수 있다는 것을 의미한다. 날카롭거나 불연속적인 표면의 경우, 이러한 지속적인 변화는 각 연속적인 새 층에 대해 넓은 영역에 걸쳐 다소 균일할 수 있다. 더 확산된 표면의 경우, 지속적인 성장 메커니즘은 여러 연속적인 층에 걸쳐 동시에 변화를 요구할 수 있다.
4. 구동력
측면 성장은 표면의 임의의 영역이 구동력의 존재 하에 준안정 평형에 도달할 수 있을 때 발생한다. 이 경우 단계가 통과할 때까지 그러한 평형 구성이 유지되는 경향이 있다. 이후 구성은 각 단계의 부분이 단계 높이만큼 전진한다는 점을 제외하고는 동일하게 유지된다. 만약 표면이 구동력의 존재 하에서 평형에 도달할 수 없다면, 단계의 측면 운동을 기다리지 않고 계속 전진한다.
4. 1. 임계 구동력
Cahn은 구동력의 존재 하에서 표면이 평형 상태에 도달할 수 있는 능력이 측면 성장의 핵심 특징이라고 결론지었다. 그는 또한 결정 매질의 모든 표면 또는 계면에 대해 임계 구동력이 존재하며, 이를 초과하면 표면 또는 계면이 자체에 수직으로 전진할 수 있고, 초과하지 않으면 측면 성장 메커니즘이 필요하다고 결론지었다.[1]충분히 큰 구동력의 경우, 계면은 이종 핵 생성이나 나사 전위 메커니즘의 도움 없이 균일하게 이동할 수 있다. 충분히 큰 구동력이 무엇인지는 계면의 확산 정도에 따라 다르므로, 극도로 확산된 계면의 경우, 이 임계 구동력은 매우 작아 측정 가능한 모든 구동력이 이를 초과할 것이다. 반면, 날카로운 계면의 경우 임계 구동력이 매우 커서 대부분의 성장이 측면 단계 메커니즘에 의해 발생할 것이다.[1]
전형적인 응고 또는 결정화 과정에서 열역학적 구동력은 과냉각 정도에 의해 결정된다는 점에 유의해야 한다.[1]
5. 확산 제어 성장
과포화도(또는 과냉각도)가 높을 때, 그리고 때로는 높지 않을 때에도 결정 성장 속도가 확산에 의해 제어될 수 있다. 이는 성장하는 핵으로의 원자 또는 분자 수송이 결정 성장의 속도를 제한한다는 것을 의미한다.
참조
[1]
서적
Crystal Growth For Beginners: Fundamentals Of Nucleation, Crystal Growth And Epitaxy
World Scientific
2016
[2]
서적
Physics of Crystal Growth
Cambridge University Press
2010
[3]
논문
The influence of dislocations on crystal growth
[4]
논문
The effect of ultrasound on the crystallisation of paracetamol in the presence of structurally similar impurities
[5]
문서
Kinetic der Phasenbildung
T. Steinkopf, Dresden
1939
[6]
논문
Crystal growth and surface structure. Part I
[7]
논문
Crystal growth and surface structure. Part II
[8]
논문
Model of porous aluminum oxide growth in the initial stage of anodization
http://nanojournal.i[...]
2013-10
[9]
논문
The Growth of Crystals and the Equilibrium Structure of their Surfaces
[10]
문서
Growth and Perfection of Crystals
Wiley, New York
1958
[11]
논문
The structure of crystal surfaces
[12]
논문
On the Equilibrium of Heterogeneous Substances
http://web.mit.edu/j[...]
Longmans, Green & Co., New York
1874-1878
[13]
논문
Effect of free energy barrier on pattern transition in 2D diffusion limited aggregation morphology of electrodeposited copper
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