21Применение кристаллов в науке и технике

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся не­сколькими примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз.

Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах.

В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.

Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.

Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ). В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет.Для рубинового лазера наименьший диаметр светового пятна составляет примерно 0,7 мкм. Таким образом, можно создать чрезвычайно высокую плотность излучения. То есть максимально сконцентрировать энергию. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия. Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Кварцевое стекло обладает следующими качествами:

- Высокая однородность и хорошее пропускание в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах;

- Отсутствие флюоресценции;

- Низкий коэффициент теплового расширения;

- Высокая устойчивость к механическим повреждениям и тепловому удару;

- Низкая пузырность.

Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.

В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие.

Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.

Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений.Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них горячих газов.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.

Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет, проходящий через пленку.

Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Жидкие кристаллы

Жи́дкие криста́ллы — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.

В основе функционирования любой ЖКИ-панели лежит принцип изменения прозрачности (точнее, изменения поляризации проходящего света) у жидких кристаллов под воздействием электрического тока. В TFT-матрице слой жидких кристаллов управляется матрицей из микроскопических транзисторных аналоговых ключей, по одному ключу на каждый пиксел изображения, что позволяет добиться высокой скорости включения-выключения точек и повысить контрастность изображения. Поскольку жидкие кристаллы сами по себе не имеют цвета, в цветной панели имеется три слоя жидких кристаллов (либо специальная однослойная мозаичная структура) с соответствующими светофильтрами для каждой цветовой составляющей (красный, зеленый, синий). Жидкие кристаллы не могут сами светиться, поэтому для того, чтобы придать экрану привычный светящийся вид, за ЖКИ-панелью установлена специальная плоская лампа, подсвечивающая экран с обратной стороны. В результате пользователю кажется, что матрица "светится", как обычный экран ЭЛТ.

22

Виды травления: сухое (плазменное) и жидкостное (в жидких травителях, кислота HF). Преимущества сухого травления: возможность контроля анизотропии, возможность контроля селективности, слабая зависимость травления от адгезии защитной маски к подложке, не требует последующих операция промывки и сушки, экономичнее травления в жидких реактивах. Недостатки: повреждение поверхности материалов под действием бомбардировки ионами, электронами и фотонами. Сухое травление делится на:

1. Ионное

   1. Ионно-лучевое (физическое распыление в вакууме)

   2. Ионно-плазменное (физическое распыление, модифицированное плазмой разряда)

2. Ионно-химическое

   1. Реактивное ионно-лучевое (физическое распыление и химические реакции в вакууме)

   2. Реактивное ионно-плазменное (физическое распыление и химические реакции, модифицированные плазмой разряда)

3. Химическое

   1. Плазменное (химические реакции, модифицированные плазмой разряда)

   2. Спонтанное (химические реакции в вакууме)

Основные характеристики сухого травления: анизотропность – отношение скорости травления рабочего материала по нормали к поверхности пластины к скорости его бокового травления; селективность – отношение скоростей травления различных материалов (например рабочего и маски) при одинаковых условиях.

Ионное травление – процесс, при котором поверхностные слои материалов удаляются только в результате физического распыления. Распыление осуществляется энергетическими ионами газов, которые не вступают в химические реакции с обрабатываемым материалом (обычно ионы инертных газов). Если обрабатываемые материал помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разряда, то травление в таких условиях называют ионно-плазменным. Если же материал помещен в вакуумную зону обработки, отделенную от области плазмы, то травление называют ионно-лучевым.

В плазмохимическом травлении поверхностные слои материалов удаляются только в результате химических реакций между химически активными частицами и атомами травимого вещества. Если обрабатываемый материал находится в области плазмы разряда, то травление называют плазменным. В этом случае химические реакции травления на поверхности материала будут активироваться с помощью бомбардировки низкоэнергетических электронов и ионов, и также фотонной бомбардировки. Если же материал находится в вакуумной зоне обработки, обычно называемой реакционной зоной и отделенной от области плазмы, то травление производят химически активными частицами без активации электронной и ионной бомбардировками, а в ряде случаев и при отсутствии воздействия фотонов. Такое травление называют радикальным.

Плазма используется в основных трех процессах: для травления материалов, для напыления а поверхность материалов тонких пленок (других материалов), для легирования (имплантации) внутрь материала других частиц.

Современное применение плазменных технологий. Основной процесс в технологии фотолитографии (травление металла, plasma ashing (озоление), plasma de-scum(снятие резиста))! Также применяется в технологиях создания: NEMS, MEMS, микроэлектроника, наноэлектроника, гироскопы, акселерометры, травление полимеров, полимерные микроструктуры, керамические микроструктуры, технологии глубокого травления (с высоким аспектным соотношением: отношение между размером характерного элемента и глубиной травления).