fsbz
عضو جدید
فوق العاده
بلور و بلورشناسی
منبع : راسخون
بلور شکلی از ماده جامد است که در آن مولکولها ٬ اتمها و یونها با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار دارد . تکرار این آرایش منظم در سه جهت فضایی سبب بزرگتر شدن بلور می شود . نظم بیرونی بلورها ٬ بر اثر نظم درونی آنهاست. بدلیل همین نظم ٬ سطحهای خارجی بلورها صاف و هموار هستند . این سطحهای صاف با یکدیگر زاویه هایی می سازند که اندازه های آنها در بلورهای یک ماده همواره ثابت است . یکی از راههای تشخیص بلورها ٬ از یکدیگر اندازه گیری زاویه بین سطحهای آنهاست . بلورها به شکلهای مکعب ٬ منشور ٬ هرم و چند وجهی های مختلف هستند و معمولا" سطحها و زاویه های هر شکلی از آنها مشابه و قرینه یکدیگرند.
تبلور
.jpg)
بلورها بر اثر تغییر فشار و دما در محلولها ٬ مواد مذاب ٬ مواد جامد و بخار بوجود می آید . مثلا" بر اثر کاهش دما بلورهای برف ٬ از ابر و بلورهای نمک طعام از آب شور دریاچه های نمکی جدا می شوند . غلظت آب این دریاچه های شور ٬ بر اثر تبخیر یا کاهش دما ٬ به حالت اشباع و فوق اشباع در می آید و بلورهای نمک از آن جدا می شود . بلورهای تشکیل دهنده سنگهای آذرین از سرد شدن ماگما ( سنگهای ذوب شده درون زمین ) به وجود می آیند . بلورهای سنگهای دگرگونی مانند سنگ مرمر از تاثیر دما و فشار زیاد بر سنگهای دیگر شکل می گیرند . به فرآیند تشکیل بلورها تبلور گفته می شود .
هنگامی که دما یافشار تغییر می کند و یا تبخیر روی می دهد و شرایط مناسب تبلور ایجاد می شود ٬ اتمهای مواد به یکدیگر می پیوندند . این اتمها معمولا" در اطراف ذرات موجود در محیط جمع می شوند . این ذرات هسته تبلور نامیده می شوند . هسته تبلور از ذرات ناخالص یا بلورهای خرد شده یک ماده تشکیل می شود . گاهی نیز شماری از اتمهای ماده اصلی کنار هم قرار می گیرند و هسته تبلور را می سازند . اتمهای دیگر نیز به تدریج در اطراف این هسته جمع می شوند و با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند . کوچکترین واحد ساختاری منظم هر بلور را سلول اولیه آن بلور می نامند .
خواص بلورها
کاربرد ناهمسانگردی
پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می‌شود که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند. مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می‌شوند. اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می‌کند، به این پدیده پیزوالکتریک می‌گویند.
گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می‌کند و سبب می‌شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد. در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی بوجود می‌آید. همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم، بلورها به تناوب منبسط و منقبض می‌شوند و بر اثر ارتعاش ٬ صوت تولید می‌کنند. از این خاصیت برای تولید صوت ٬ ماورای صوت ٬ نوسانهای الکتریکی ٬ ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می‌شود.
خواص نیم رسانایی
بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ٬ سیلیسیم و کربن خاصیت نیم رسانایی دارند و تا اندازه‌ای جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. اگر بلورهای نیم رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم٬ مقاومت الکتریکی آنها کم می‌شود و الکتریسیته را بهتر عبور می‌دهد. نیم رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات بصورت دیود و ترانزیستور و قطعه‌های دیگر الکترونیکی بکار می‌روند. دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می‌شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب بکار می‌رود. ترانزیستور از سه قطعه بلور نیم رسانا تشکیل می‌شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب بکار می‌رود. دیودها و ترانزیستورها از قسمتهای اصلی گیرنده‌ها و فرستنده‌های رادیو و تلویزیون هستند.
پدیده دو شکستی
بعضی از بلورها نور را به دو دسته پرتو تقسیم می‌کنند، بر اثر این پدیده در کانیهای شفاف ٬ مانند کربنات کلسیم شکست مضاعف ایجاد می‌شود. اگر نوشته‌ای را زیر کربنات کلسیم قرار دهیم بصورت دو نوشته دیده می‌شود.
بعضی از بلورها خاصیت جذب انتخابی دارند. مانند بلور تورمالین که پرتوهای نور را به دو دسته تقسیم می‌کند. یک دسته آنها را جذب می‌کند و دسته دیگر را از خود عبور می‌دهد. از این خاصیت برای ساختن فیلمها و عدسیهای قطبنده (پلاریزان) و برای کاهش شدت نور چراغهای اتومبیل استفاده می‌شود. عدسیهای قطبنده را در ساختن ابزارهای نوری مانند میکروسکوپهای قطبنده (پلاریزان) را از ورقه نازک پولاروید (ورقه شفاف و نازک نیترات سلولز) می‌پوشانند.
خواص ساختاری
.jpg)
بعضی از ویژگیهای بلورها به نوع و موقعیت پیوند بین مولکولهای آنها بستگی دارد. مثلا" هر چه پیوند اجزای یک بلور قویتر باشد نقطه ذوب آن بالاتر و سختی و مقاومت آن بیشتر است، مانند بلورهای الماس و گرافیت که از نظر ترکیب شیمیایی یکسان هستند و هر دو از کربن تشکیل شده‌اند، اما به دلیل تفاوت در پیوند شیمیایی میان اتمهای آنها سختی و مقاومت گرافیت کم ، اما سختی و مقاومت الماس بسیار زیاد است. بعضی از بلورها به سبب شکل پیوندهای داخلی ٬ در امتدادهای معینی به آسانی می‌شکنند، مانند بلور نمک طعام و بعضی به آسانی ورقه ورقه می‌شوند، مانندبلورهای میکا. از خاصیت سختی و مقاومت بلورها در ساختن انواع کاغذها و تیغه‌های سمباده و همچنین در ساعت سازی استفاده می‌کنند.
انواع بلور
انواع کریستالها بر حسب نیروهای بستگی بین اتمها و مولکولهای آنها
▪ یونی :
این کریستالها ، کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس از یک اتم به اتم دیگر انتقال داده شده و نتیجه کریستالی است که از یونهای مثبت و منفی تشکیل گردیده است. مانند NaCl.
▪ کووالانت :
کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس بطور یکسان بین اتمهای مجاور به اشتراک گذارده شده‌اند. مانند الماس.
▪ فلزی :
عناصر فلزی در حالت آزاد تشکیل کریستالهای فلزی می‌دهند که وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در این کریستالها از مشخصات آنهاست.
▪ مولکولی :
گازهای نادر و مولکولهای تکمیل شده در حالت جامد بوسیله نیروهای ضعیفی بنام نیروهای واندوالسی بستگی پیدا می‌کنند.
ـ تبصره :
در اکثر کریستالها و بلورها ممکن است ۲ یا چند پیوند اشاره شده در بالا شرکت داشته باشند.
یک کریستال خوب از نظر اپتیکی ، کریستالی است که در داخل آن حباب ، یا رگه و ناخالصی خیلی خیلی کم باشد.
● انواع کریستالها بر حسب ساختار شبکه‌ای
▪ شبکه براوه
برای قرار دادن نقاط در شبکه‌های فضایی بطوری که تمام نقاط شبکه درست توسط همان نقاط مجاورشان احاطه شده باشند، فقط چهارده طریق که در هفت دسته تقارنی تعریف می‌شوند، وجود دارد که به شبکه‌های براوه معروفند. این هفت دسته به نامهای تری کلینیک ، مونوکلینیک ، اورتورمبیک ، تتراگونال ، مکعبی ، تری گونال معروفند. اجزا تقارنی که در این هفت دسته وجود دارند، به ترتیب زیر هستند:
ـ محور چرخشی
ـ صفحات تقارن
ـ نقطه انعکاسی
ـ نقطه انعکاسی چرخشی.
▪ شبکه‌های کریستالی C.P
در این شبکه‌ها ، لایه‌ها طوری روی هم چیده می‌شوند که اگر لایه اول A و لایه دوم B باشد، لایه سوم ممکن است به یکی از دو صورت زیر قرار گیرد:
درست بالای لایه A که به نام AB ، AB ، AB نامیده می‌شوند. دارای ساختمان هگزاگونال است و به H.C.P مشهور است.
لایه سوم (C) در محل سومی چیده می‌شود که آن را به صورت ABC ، ABC ، … نشان می‌دهند که همان ساختمان مکعبی F.C.C است.
● انواع کریستالها از نقطه نظر اپتیکی
کریستالها را از دیدگاه اپتیکی می‌توان با توجه به ضریب شکست آنها تقسیم بندی کرد: در این تقسیم بندی ، با دو نوع کریستال ساده و دوشکستی برخورد می‌کنیم.
▪ کریستالهای ساده :
در این نوع کریستالها ضریب شکست ثابت بوده و دارای یک عدد معینی است
▪ کریستالهای دوشکستی :
کریستالهایی که برای یک پرتو تابش ، دو نوع شکست ایجاد می‌کنند، یعنی یک پرتو را به دو پرتو به نامهای (پرتو عادی و پرتو غیر عادی) تجزیه می‌کنند، کریستالهای دوشکستی نامیده می‌شوند.
ـ تبصره :
ضریب شکستهای ی (ضریب شکست پرتو عادی) و (ضریب شکست پرتو عادی) به این صورت به دست می‌آیند که یک امتداد در نظر می‌گیریم، یک بار پرتو عادی را در این امتداد می‌زنیم و یک با هم پرتو غیر عادی را در این امتداد می‌اندازیم و ضریب شکست آنها را اندازه می‌گیریم.
● انواع کریستال دوشکستی
کریستالهای دوشکستی خود به دو نوع مثبت و منفی تقسیم می‌شوند:
▪ کریستال دوشکستی مثبت است، هر گاه
▪ کریستال دوشکستی منفی است هر گاه
▪ کربنات کلسیم (سنگ گچ یا ) یک کریستال دوشکستی منفی است و کوارتز هم نمونه‌ای از یک کریستال مثبت است.
ـ تبصره :
کریستالهای دو شکستی می‌توانند منبع تولید نور قطبی از نور غیر قطبی باشند (قطبش نور) که در زیر به نمونه‌هایی از آنها اشاره می‌شود.
● منشور نیکول :
با استفاده از این منشور نور غیر قطبی را به دو امتداد جدا از هم تبدیل می‌کنند که یکی پرتو عادی و دیگری پرتو غیر عادی است.
▪ تیغه ربع موج یا چارک موج :
تیغه ربع موج از یک کریستال دو شکستی تشکیل شده است که می‌تواند قطبش خطی را به قطبش بیضوی یا دایروی تبدیل کند.
▪ تیغه نیم موج :
این تیغه نور ما را نسبت به یکی از محورهای عمود بر هم (E یا D) قرینه می‌کند.
● کاربرد کریستالها بطور کلی
امروزه کریستالها به شکلها منشور در انواع سیستمهای نوری از جمله اسپکترومترها ، فتومترها ، دوربینهای نجومی و لیزر و تداخل سنجها و ... بکار برده می‌شوند.
ساختار بلوری
ساختار کلی
بلور ایده آل از تکرار بی پایان واحدهای ساختاری همانند در فضا بوجود می‌آید. در ساده‌ترین بلورها ، مانند مس ، نقره ، آهن و فلزات قلیایی ، این واحدهای ساختاری یک تک اتم است. در اکثر مواد واحد ساختاری شامل چندین اتم یا ملکول است. در بلورهای معدنی این تعداد تا حدود 100 و در بلورهای پروتئین به 10000 می‌رسد. ساختار تمام بلورها بر حسب شبکه‌ای که به هر نقطه آن گروهی از اتمها متصل هستند، توصیف می‌گردد، این گروه اتمها را پایه می‌گویند، پایه در فضا تکرار می‌شود تا ساختار بلور را تشکیل دهد.
ساختار بلوری غیر ایده آل
از نظر بلورنگاران کلاسیک ، بلور ایده‌آل از تکرار دوره‌ای واحدهای یکسان در فضا شکل می‌گیرد. ولی هیچ دلیل عمومی وجود ندارد که بلور ایده‌آل حالت مینیمم انرژی اتمها در صفر مطلق باشد. در طبیعت ساختارهای بسیاری وجود دارند که با آنکه منظم هستند، کاملا دوره نیستند. نظر ایده‌آل بلورنگاران لزوما یک قانون طبیعت نیست. بعضی از ساختارهای غیر دوره‌ای ممکن است فقط فرا پایدار باشند و طول عمر بسیار درازی داشته باشند.
انوع ساختار بلوری
انواع مختلف ساختارهای بلوری وجود دارند که چند مورد از ساختارهای بلوری ساده و مورد توجه همگانی عبارتند از:
• بلور مکعبی مرکز سطحی (fcc) :
در این حالت سلول یاخته بسیط ، لوزی رخ است. بردارهای انتقال بسیط نقطه شبکه واقع در مبدا را به نقاط شبکه واقع در مراکز وجوه وصل می‌کنند.
• بلور مکعبی مرکز حجمی (bcc) :
در این حالت یاخته بسیط لوزی رخی است که هر ضلع آن برابر است و زاویه بین اضلاع مجاور است.
• بلور کلرید سدیم Nacl :
در این حالت پایه شامل یک اتم Na و یک اتم Cl است که به اندازه نصف تعداد اصلی مکعب یکه از هم فاصله دارند.
• بلور کلرید سزیم CsCl :
در این حالت در هر یاخته بسیط یک مولکول وجود دارد. هر اتم در مرکز مکعبی متشکل از اتمهای نوع مخالف قرار دارد.
• ساختار بلوری تنگ پکیده شش گوش (hcp) :
در این ساختار مکانهای اتمی یک شبکه فضایی را بوجود نمی‌آورند. شبکه فضایی یک شش گوشی ساده است که به هر نقطه شبکه آن پایه‌ای با دو اتم یکسان مربوط می‌شود.
رشد بلور
بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع استفاده می‌شوند، باید به صورت دقیق رشد داده شده و ناخالصیهای آنها جدا گردد. در زیر به سه روش رشد این بلورها اشاره می‌کنیم.
دیدکلی
پیشرفت تکنولوژی قطعات حالت جامد نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات الکترونیکی بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است. شرایط رشد بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می‌شود، بسیار دقیق‌تر و مشکل‌تر از سایر مواد است. علاوه بر این که نیم رساناها باید به صورت تک بلورهای بزرگ در دسترس باشند، باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصیهای مورد استفاده در بلورهای سیلیسیوم فعلی از یک قسمت در ده میلیارد کمتر است. چنین درجاتی از خلوص ، مستلزم دقت بسیار در استفاده و بکارگیری مواد در هر مرحله از فرآیند ساخت است.
تاریخچه
رشد سیلیسیوم تک بلور اولین بار در آغاز و میانه دهه 1950 انجام گرفت که هم اکنون نیز در ساخت مدارهای مجتمع از آن استفاده می‌شود.
روشهای رشد بلور
.jpg)
رشد از مذاب
یک روش متداول برای رشد تک بلورها ، سرد کردن انتخابی ماده مذاب است به گونه‌ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام می‌پذیرد.
یک مثال
ظرفی از جنس سیلیکا (کوارتز شیشه‌ای) در نظر بگیرید که دارای ژرمانیوم (Ge) مذاب است و می‌توان آن را طوری از کوره بیرون آورد که انجماد از یک انتها شروع شده به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه بلوری کوچک در نقطه شروع انجماد می‌توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. شکل بلور بدست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می‌شود. ژرمانیوم ، گالیم آرسنیک (GaAs) و دیگر بلورهای نیم رسانا اغلب با این روش که معمولا روش بریجمن (Bridgman) افقی نامیده می‌شود، رشد داده می‌شوند.
معایب رشد بلور در ظرف ذوب
در این روش ماده مذاب با دیوارهای ظرف تماس پیدا می‌کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنش‌هایی ایجاد می‌شود که بلور را از حالت ساختار شبکه‌ای کامل خارج می‌سازد. این نکته بویژه در مورد Si که دارای نقطه ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد مذاب را دارد، مشکل جدی است.
روش جایگزین
یک روش جایگزین ، کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانه بلوری در داخل ماده مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می‌شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می‌دهد. معمولا در هنگام رشد ، بلور به آهستگی چرخانده می‌شود تا علاوه بر هم زدن ملایم مذاب از هر گونه تغییرات دما که منجر به انجماد غیر همگن می‌شود، متوسط گیری کند. این روش ، روش چوکرالسکی (Czochoralski) نامیده می‌شود.
پالایش ناحیه‌ای و رشد ناحیه شناور
استفاده از ناحیه مذاب متحرک به خصوص وقتی که رفت و برگشتهای متعددی در راستای شمش انجام می‌پذیرد، موجب خلوص قابل توجهی در ماده اولیه می‌شود. این فرایند پالایش ناحیه‌ای نامیده می‌شود. تکنیکهای متداول برای ذوب شمش عبارتند از : تابش گرما از یک گرماده مقاومتی ، گرمایش القایی و گرمایش بوسیله بمباران الکترونی در فصل مشترک مایع و جامد که در حال انجماد است. توزیع خاصی از ناخالصیها بین دو فاز وجود خواهد داشت، کمیت مهمی که این ویژگی را مشخص می‌کند، ضریب توزیع Distribution Coefficient است که به صورت نسبت تراکم ناخالصی در جامد به تراکم آن در مایع در حالت تعادل تعریف می‌شود.
ضریب توزیع تابعی از ماده ، ناخالصی دمای مرز مشترک بین جامد و مایع و سرعت رشد است. اگر مرورهای متعددی صورت گیرد، طول بیشتری از شمش خالص شده و پس از مرورهای متعدد اکثر ناخالصیها به انتهای شمش کشیده می‌شود که می‌توان آن را برید و جدا کرد و در نتیجه یک بلور با خلوص خیلی زیاد باقی می‌ماند. ضریب توزیع که روند بالایش ناحیه‌ای را کنترل می‌کند، در هر گونه رشد از مذاب نیز اهمیت دارد.
ساختار الماسی :
در این حالت شبکه فضایی fcc است. این ساختار نتیجه پیوند کووالانسی راستایی است.
• ساختار مکعبی سولفید روی ZnS :
ساختار الماس را می‌توان بصورت دو ساختار fcc که نسبت به یکدیگر به اندازه یک چهارم قطر اصلی جابجا شده‌اند، در نظر گرفت. ساختار مکعبی سولفید روی از قرار دادن اتمهای Zn روی یک شبکه fcc و اتمهای S رویی شبکه fcc دیگر نتیجه می‌شود.
• ساختار شش گوشی سولفید روی (و ورلستاین):
اگر فقط اتمهای همسایه اول را در نظر بگیرید، نمی‌توان بین دو حالت ZnS مکعبی و شش گوشی فرق گذاشت. اما اگر همسایه‌های دوم را در نظر بگیریم می‌توان این دو حالت را از هم تمییز داد.
علت مطالعه ساختارهای بلوری
از آنجا که بیشترقطعات الکترونیکی مانند دیود ، ترانزیستور و ... از بلورها ساخته می‌شود. همچنین به دلیل گسترش روز افزون وسایل الکترونیکی و توجه بیش از حد به ساختن ریزتراشه‌های کامپیوتری با ابعاد بسیار کم ، توجه فوق العاده به سمت بلور شناسی و مطالعه ساختارهای بلوری شده است. و دانشمندان مختلف در سطح جهان مطالعات وسیعی را در این زمینه انجام می‌دهند، که از آن جمله می‌توان به فعالیتهای انجمن نانوتکنولوژی اشاره کرد.
بلور و بلورشناسی
منبع : راسخون
بلور شکلی از ماده جامد است که در آن مولکولها ٬ اتمها و یونها با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار دارد . تکرار این آرایش منظم در سه جهت فضایی سبب بزرگتر شدن بلور می شود . نظم بیرونی بلورها ٬ بر اثر نظم درونی آنهاست. بدلیل همین نظم ٬ سطحهای خارجی بلورها صاف و هموار هستند . این سطحهای صاف با یکدیگر زاویه هایی می سازند که اندازه های آنها در بلورهای یک ماده همواره ثابت است . یکی از راههای تشخیص بلورها ٬ از یکدیگر اندازه گیری زاویه بین سطحهای آنهاست . بلورها به شکلهای مکعب ٬ منشور ٬ هرم و چند وجهی های مختلف هستند و معمولا" سطحها و زاویه های هر شکلی از آنها مشابه و قرینه یکدیگرند.
تبلور
هنگامی که دما یافشار تغییر می کند و یا تبخیر روی می دهد و شرایط مناسب تبلور ایجاد می شود ٬ اتمهای مواد به یکدیگر می پیوندند . این اتمها معمولا" در اطراف ذرات موجود در محیط جمع می شوند . این ذرات هسته تبلور نامیده می شوند . هسته تبلور از ذرات ناخالص یا بلورهای خرد شده یک ماده تشکیل می شود . گاهی نیز شماری از اتمهای ماده اصلی کنار هم قرار می گیرند و هسته تبلور را می سازند . اتمهای دیگر نیز به تدریج در اطراف این هسته جمع می شوند و با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند . کوچکترین واحد ساختاری منظم هر بلور را سلول اولیه آن بلور می نامند .
خواص بلورها
کاربرد ناهمسانگردی
پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می‌شود که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند. مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می‌شوند. اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می‌کند، به این پدیده پیزوالکتریک می‌گویند.
گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می‌کند و سبب می‌شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد. در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی بوجود می‌آید. همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم، بلورها به تناوب منبسط و منقبض می‌شوند و بر اثر ارتعاش ٬ صوت تولید می‌کنند. از این خاصیت برای تولید صوت ٬ ماورای صوت ٬ نوسانهای الکتریکی ٬ ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می‌شود.
خواص نیم رسانایی
بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ٬ سیلیسیم و کربن خاصیت نیم رسانایی دارند و تا اندازه‌ای جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. اگر بلورهای نیم رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم٬ مقاومت الکتریکی آنها کم می‌شود و الکتریسیته را بهتر عبور می‌دهد. نیم رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات بصورت دیود و ترانزیستور و قطعه‌های دیگر الکترونیکی بکار می‌روند. دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می‌شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب بکار می‌رود. ترانزیستور از سه قطعه بلور نیم رسانا تشکیل می‌شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب بکار می‌رود. دیودها و ترانزیستورها از قسمتهای اصلی گیرنده‌ها و فرستنده‌های رادیو و تلویزیون هستند.
پدیده دو شکستی
بعضی از بلورها نور را به دو دسته پرتو تقسیم می‌کنند، بر اثر این پدیده در کانیهای شفاف ٬ مانند کربنات کلسیم شکست مضاعف ایجاد می‌شود. اگر نوشته‌ای را زیر کربنات کلسیم قرار دهیم بصورت دو نوشته دیده می‌شود.
بعضی از بلورها خاصیت جذب انتخابی دارند. مانند بلور تورمالین که پرتوهای نور را به دو دسته تقسیم می‌کند. یک دسته آنها را جذب می‌کند و دسته دیگر را از خود عبور می‌دهد. از این خاصیت برای ساختن فیلمها و عدسیهای قطبنده (پلاریزان) و برای کاهش شدت نور چراغهای اتومبیل استفاده می‌شود. عدسیهای قطبنده را در ساختن ابزارهای نوری مانند میکروسکوپهای قطبنده (پلاریزان) را از ورقه نازک پولاروید (ورقه شفاف و نازک نیترات سلولز) می‌پوشانند.
خواص ساختاری
انواع بلور
انواع کریستالها بر حسب نیروهای بستگی بین اتمها و مولکولهای آنها
▪ یونی :
این کریستالها ، کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس از یک اتم به اتم دیگر انتقال داده شده و نتیجه کریستالی است که از یونهای مثبت و منفی تشکیل گردیده است. مانند NaCl.
▪ کووالانت :
کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس بطور یکسان بین اتمهای مجاور به اشتراک گذارده شده‌اند. مانند الماس.
▪ فلزی :
عناصر فلزی در حالت آزاد تشکیل کریستالهای فلزی می‌دهند که وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در این کریستالها از مشخصات آنهاست.
▪ مولکولی :
گازهای نادر و مولکولهای تکمیل شده در حالت جامد بوسیله نیروهای ضعیفی بنام نیروهای واندوالسی بستگی پیدا می‌کنند.
ـ تبصره :
در اکثر کریستالها و بلورها ممکن است ۲ یا چند پیوند اشاره شده در بالا شرکت داشته باشند.
یک کریستال خوب از نظر اپتیکی ، کریستالی است که در داخل آن حباب ، یا رگه و ناخالصی خیلی خیلی کم باشد.
● انواع کریستالها بر حسب ساختار شبکه‌ای
▪ شبکه براوه
برای قرار دادن نقاط در شبکه‌های فضایی بطوری که تمام نقاط شبکه درست توسط همان نقاط مجاورشان احاطه شده باشند، فقط چهارده طریق که در هفت دسته تقارنی تعریف می‌شوند، وجود دارد که به شبکه‌های براوه معروفند. این هفت دسته به نامهای تری کلینیک ، مونوکلینیک ، اورتورمبیک ، تتراگونال ، مکعبی ، تری گونال معروفند. اجزا تقارنی که در این هفت دسته وجود دارند، به ترتیب زیر هستند:
ـ محور چرخشی
ـ صفحات تقارن
ـ نقطه انعکاسی
ـ نقطه انعکاسی چرخشی.
▪ شبکه‌های کریستالی C.P
در این شبکه‌ها ، لایه‌ها طوری روی هم چیده می‌شوند که اگر لایه اول A و لایه دوم B باشد، لایه سوم ممکن است به یکی از دو صورت زیر قرار گیرد:
درست بالای لایه A که به نام AB ، AB ، AB نامیده می‌شوند. دارای ساختمان هگزاگونال است و به H.C.P مشهور است.
لایه سوم (C) در محل سومی چیده می‌شود که آن را به صورت ABC ، ABC ، … نشان می‌دهند که همان ساختمان مکعبی F.C.C است.
● انواع کریستالها از نقطه نظر اپتیکی
کریستالها را از دیدگاه اپتیکی می‌توان با توجه به ضریب شکست آنها تقسیم بندی کرد: در این تقسیم بندی ، با دو نوع کریستال ساده و دوشکستی برخورد می‌کنیم.
▪ کریستالهای ساده :
در این نوع کریستالها ضریب شکست ثابت بوده و دارای یک عدد معینی است
▪ کریستالهای دوشکستی :
کریستالهایی که برای یک پرتو تابش ، دو نوع شکست ایجاد می‌کنند، یعنی یک پرتو را به دو پرتو به نامهای (پرتو عادی و پرتو غیر عادی) تجزیه می‌کنند، کریستالهای دوشکستی نامیده می‌شوند.
ـ تبصره :
ضریب شکستهای ی (ضریب شکست پرتو عادی) و (ضریب شکست پرتو عادی) به این صورت به دست می‌آیند که یک امتداد در نظر می‌گیریم، یک بار پرتو عادی را در این امتداد می‌زنیم و یک با هم پرتو غیر عادی را در این امتداد می‌اندازیم و ضریب شکست آنها را اندازه می‌گیریم.
● انواع کریستال دوشکستی
کریستالهای دوشکستی خود به دو نوع مثبت و منفی تقسیم می‌شوند:
▪ کریستال دوشکستی مثبت است، هر گاه
▪ کریستال دوشکستی منفی است هر گاه
▪ کربنات کلسیم (سنگ گچ یا ) یک کریستال دوشکستی منفی است و کوارتز هم نمونه‌ای از یک کریستال مثبت است.
ـ تبصره :
کریستالهای دو شکستی می‌توانند منبع تولید نور قطبی از نور غیر قطبی باشند (قطبش نور) که در زیر به نمونه‌هایی از آنها اشاره می‌شود.
● منشور نیکول :
با استفاده از این منشور نور غیر قطبی را به دو امتداد جدا از هم تبدیل می‌کنند که یکی پرتو عادی و دیگری پرتو غیر عادی است.
▪ تیغه ربع موج یا چارک موج :
تیغه ربع موج از یک کریستال دو شکستی تشکیل شده است که می‌تواند قطبش خطی را به قطبش بیضوی یا دایروی تبدیل کند.
▪ تیغه نیم موج :
این تیغه نور ما را نسبت به یکی از محورهای عمود بر هم (E یا D) قرینه می‌کند.
● کاربرد کریستالها بطور کلی
امروزه کریستالها به شکلها منشور در انواع سیستمهای نوری از جمله اسپکترومترها ، فتومترها ، دوربینهای نجومی و لیزر و تداخل سنجها و ... بکار برده می‌شوند.
ساختار بلوری
ساختار کلی
بلور ایده آل از تکرار بی پایان واحدهای ساختاری همانند در فضا بوجود می‌آید. در ساده‌ترین بلورها ، مانند مس ، نقره ، آهن و فلزات قلیایی ، این واحدهای ساختاری یک تک اتم است. در اکثر مواد واحد ساختاری شامل چندین اتم یا ملکول است. در بلورهای معدنی این تعداد تا حدود 100 و در بلورهای پروتئین به 10000 می‌رسد. ساختار تمام بلورها بر حسب شبکه‌ای که به هر نقطه آن گروهی از اتمها متصل هستند، توصیف می‌گردد، این گروه اتمها را پایه می‌گویند، پایه در فضا تکرار می‌شود تا ساختار بلور را تشکیل دهد.
ساختار بلوری غیر ایده آل
از نظر بلورنگاران کلاسیک ، بلور ایده‌آل از تکرار دوره‌ای واحدهای یکسان در فضا شکل می‌گیرد. ولی هیچ دلیل عمومی وجود ندارد که بلور ایده‌آل حالت مینیمم انرژی اتمها در صفر مطلق باشد. در طبیعت ساختارهای بسیاری وجود دارند که با آنکه منظم هستند، کاملا دوره نیستند. نظر ایده‌آل بلورنگاران لزوما یک قانون طبیعت نیست. بعضی از ساختارهای غیر دوره‌ای ممکن است فقط فرا پایدار باشند و طول عمر بسیار درازی داشته باشند.
انوع ساختار بلوری
انواع مختلف ساختارهای بلوری وجود دارند که چند مورد از ساختارهای بلوری ساده و مورد توجه همگانی عبارتند از:
• بلور مکعبی مرکز سطحی (fcc) :
در این حالت سلول یاخته بسیط ، لوزی رخ است. بردارهای انتقال بسیط نقطه شبکه واقع در مبدا را به نقاط شبکه واقع در مراکز وجوه وصل می‌کنند.
• بلور مکعبی مرکز حجمی (bcc) :
در این حالت یاخته بسیط لوزی رخی است که هر ضلع آن برابر است و زاویه بین اضلاع مجاور است.
• بلور کلرید سدیم Nacl :
در این حالت پایه شامل یک اتم Na و یک اتم Cl است که به اندازه نصف تعداد اصلی مکعب یکه از هم فاصله دارند.
• بلور کلرید سزیم CsCl :
در این حالت در هر یاخته بسیط یک مولکول وجود دارد. هر اتم در مرکز مکعبی متشکل از اتمهای نوع مخالف قرار دارد.
• ساختار بلوری تنگ پکیده شش گوش (hcp) :
در این ساختار مکانهای اتمی یک شبکه فضایی را بوجود نمی‌آورند. شبکه فضایی یک شش گوشی ساده است که به هر نقطه شبکه آن پایه‌ای با دو اتم یکسان مربوط می‌شود.
رشد بلور
بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع استفاده می‌شوند، باید به صورت دقیق رشد داده شده و ناخالصیهای آنها جدا گردد. در زیر به سه روش رشد این بلورها اشاره می‌کنیم.
دیدکلی
پیشرفت تکنولوژی قطعات حالت جامد نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات الکترونیکی بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است. شرایط رشد بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می‌شود، بسیار دقیق‌تر و مشکل‌تر از سایر مواد است. علاوه بر این که نیم رساناها باید به صورت تک بلورهای بزرگ در دسترس باشند، باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصیهای مورد استفاده در بلورهای سیلیسیوم فعلی از یک قسمت در ده میلیارد کمتر است. چنین درجاتی از خلوص ، مستلزم دقت بسیار در استفاده و بکارگیری مواد در هر مرحله از فرآیند ساخت است.
تاریخچه
رشد سیلیسیوم تک بلور اولین بار در آغاز و میانه دهه 1950 انجام گرفت که هم اکنون نیز در ساخت مدارهای مجتمع از آن استفاده می‌شود.
روشهای رشد بلور
یک روش متداول برای رشد تک بلورها ، سرد کردن انتخابی ماده مذاب است به گونه‌ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام می‌پذیرد.
یک مثال
ظرفی از جنس سیلیکا (کوارتز شیشه‌ای) در نظر بگیرید که دارای ژرمانیوم (Ge) مذاب است و می‌توان آن را طوری از کوره بیرون آورد که انجماد از یک انتها شروع شده به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه بلوری کوچک در نقطه شروع انجماد می‌توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. شکل بلور بدست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می‌شود. ژرمانیوم ، گالیم آرسنیک (GaAs) و دیگر بلورهای نیم رسانا اغلب با این روش که معمولا روش بریجمن (Bridgman) افقی نامیده می‌شود، رشد داده می‌شوند.
معایب رشد بلور در ظرف ذوب
در این روش ماده مذاب با دیوارهای ظرف تماس پیدا می‌کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنش‌هایی ایجاد می‌شود که بلور را از حالت ساختار شبکه‌ای کامل خارج می‌سازد. این نکته بویژه در مورد Si که دارای نقطه ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد مذاب را دارد، مشکل جدی است.
روش جایگزین
یک روش جایگزین ، کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانه بلوری در داخل ماده مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می‌شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می‌دهد. معمولا در هنگام رشد ، بلور به آهستگی چرخانده می‌شود تا علاوه بر هم زدن ملایم مذاب از هر گونه تغییرات دما که منجر به انجماد غیر همگن می‌شود، متوسط گیری کند. این روش ، روش چوکرالسکی (Czochoralski) نامیده می‌شود.
پالایش ناحیه‌ای و رشد ناحیه شناور
استفاده از ناحیه مذاب متحرک به خصوص وقتی که رفت و برگشتهای متعددی در راستای شمش انجام می‌پذیرد، موجب خلوص قابل توجهی در ماده اولیه می‌شود. این فرایند پالایش ناحیه‌ای نامیده می‌شود. تکنیکهای متداول برای ذوب شمش عبارتند از : تابش گرما از یک گرماده مقاومتی ، گرمایش القایی و گرمایش بوسیله بمباران الکترونی در فصل مشترک مایع و جامد که در حال انجماد است. توزیع خاصی از ناخالصیها بین دو فاز وجود خواهد داشت، کمیت مهمی که این ویژگی را مشخص می‌کند، ضریب توزیع Distribution Coefficient است که به صورت نسبت تراکم ناخالصی در جامد به تراکم آن در مایع در حالت تعادل تعریف می‌شود.
ضریب توزیع تابعی از ماده ، ناخالصی دمای مرز مشترک بین جامد و مایع و سرعت رشد است. اگر مرورهای متعددی صورت گیرد، طول بیشتری از شمش خالص شده و پس از مرورهای متعدد اکثر ناخالصیها به انتهای شمش کشیده می‌شود که می‌توان آن را برید و جدا کرد و در نتیجه یک بلور با خلوص خیلی زیاد باقی می‌ماند. ضریب توزیع که روند بالایش ناحیه‌ای را کنترل می‌کند، در هر گونه رشد از مذاب نیز اهمیت دارد.
ساختار الماسی :
در این حالت شبکه فضایی fcc است. این ساختار نتیجه پیوند کووالانسی راستایی است.
• ساختار مکعبی سولفید روی ZnS :
ساختار الماس را می‌توان بصورت دو ساختار fcc که نسبت به یکدیگر به اندازه یک چهارم قطر اصلی جابجا شده‌اند، در نظر گرفت. ساختار مکعبی سولفید روی از قرار دادن اتمهای Zn روی یک شبکه fcc و اتمهای S رویی شبکه fcc دیگر نتیجه می‌شود.
• ساختار شش گوشی سولفید روی (و ورلستاین):
اگر فقط اتمهای همسایه اول را در نظر بگیرید، نمی‌توان بین دو حالت ZnS مکعبی و شش گوشی فرق گذاشت. اما اگر همسایه‌های دوم را در نظر بگیریم می‌توان این دو حالت را از هم تمییز داد.
علت مطالعه ساختارهای بلوری
از آنجا که بیشترقطعات الکترونیکی مانند دیود ، ترانزیستور و ... از بلورها ساخته می‌شود. همچنین به دلیل گسترش روز افزون وسایل الکترونیکی و توجه بیش از حد به ساختن ریزتراشه‌های کامپیوتری با ابعاد بسیار کم ، توجه فوق العاده به سمت بلور شناسی و مطالعه ساختارهای بلوری شده است. و دانشمندان مختلف در سطح جهان مطالعات وسیعی را در این زمینه انجام می‌دهند، که از آن جمله می‌توان به فعالیتهای انجمن نانوتکنولوژی اشاره کرد.
