поликристаллы

Поликристаллы

Объединенные в одном материале кристаллы неправильной формы представляют собой поликристаллы. Компоненты кристалла называются блоками, кристаллитами или кристаллическими зернами. Они могут быть образованы металлом, неметаллом, соединением, минералом, сплавом. Наличие зерен отличает поликристалл от монокристалла, в котором кристаллическая решетка единая и непрерывная.

Поликристаллы могут иметь природное и искусственное происхождение. Специально полученные поликристаллы выпускаются в виде слитков, пластин, цилиндров, порошка. Форма выпуска зависит от способа получения поликристалла, а также его назначения.

Свойства поликристаллов: в чем отличие от монокристаллов

Свойства монокристалла определяются веществом, из которого он получен, и особенностями кристаллической решетки. Особенности поликристалла тоже зависят от этих факторов. А еще от строения границ между зернами, ориентации и размера зерен. Размеры кристаллических зерен в поликристалле могут измеряться микрометрами, миллиметрами, в едких случаях даже метрами.

Чем более упорядоченно расположены кристаллиты, тем лучше проявляется  способность поликристалла передавать колебания или поток частиц в определенном направлении, то есть анизотропия. Поликристаллы с хорошо выраженной одинаковой ориентированностью частиц близки к монокристаллам, у которых анизотропия проявляется максимально. Это свойство важно для полупроводников. Повысить анизотропию поликристалла можно принудительной ориентацией его зерен, например прокаткой.

Границы между зернами рассеивают электроны и другие частицы, тормозят их передвижение. На границах находятся различные виды дефектов, примеси. Поэтому проводниковые свойства у поликристаллов намного хуже, чем у монокристаллов. Стабильность у поликристалла меньше, чем у монокристалла, если его нагреть и медленно охладить, то границы между мелкими зернами исчезают и кристаллиты становятся крупнее. Такой способ улучшения свойств поликристаллов называется отжиг.

Как изготавливают поликристаллы

Поликристалл получают при застывании расплава, преобразованием одной кристаллической решетки вещества в другую, спеканием кристаллического порошка. Также применяют высокотемпературное химическое разложение летучих соединений, очистку в реакторах со псевдосжиженными слоями, гальванические способы получения из растворов.

В расплаве при его остывание образуется много точек начала кристаллизации. Вокруг каждой начинает расти отдельное кристаллическое зерно до момента, пока оно не соприкоснется с соседними зернами. В полученном таким способом поликристалле самое ценное его качество – ориентированность – выражено слабо, так как зерна располагаются хаотично. Очищают поликристаллические металлы, сплавы и соединения, например германий и антимонид индия, методом зонной плавки.

Для производства поликремния его соединения перегоняют и разлагают при высоких температурах. Это называется процессом Сименса. Получают большие стержни или квадратные слитки, которые затем нарезают на тонкие пластины. Если зерна поликристаллического кремния больше 1 мм, его называют мультикристаллическим.

При высоком давлении и последующем спекании из графита и боронитрида с чешуйчатой структурой получают сверхтвердые поликристаллические материалы с кубической кристаллической решеткой – синтетические алмаз и эльбор.

Как применяют поликристаллы

Поликристаллы используют в качестве полупроводниковых элементов в различных приборах и устройствах. Поликристаллические германий, индий, сурьму применяют в производстве диодов, биполярных и полевых транзисторов, фоторезисторов, датчиков, инфракрасных детекторов, тепловизоров.

Поликристаллические порошки разного состава используют для получения напыляемых покрытий, оптических стекол. Из поликристаллического синтетического алмаза и эльбора производят режущие инструменты и шлифовальные пасты.

Из тонких пластин поликристаллического кремния получают фотоэлементы для солнечных батарей, полупроводники для интегральных схем, тонкопленочных транзисторов и других компонентов электроники. Поликремний используют не только в виде пластин. Его наносят с помощью нагревания на стеклянные подложки и с помощью лазеров на пластиковые. Поликристаллические кремниевые пленки используют в солнечных батареях, гибких электронных устройствах и дисплеях для проекторов.

Из поликристаллических металлов высокой чистоты можно выращивать монокристаллы. Поликристаллы обычно дешевле аналогичных монокристаллов из-за более высокой себестоимости и меньшей эффективности. КПД солнечных батарей из поликремния на 15-20% меньше по сравнению с фотоэлементами из кремниевых монокристаллов.