新型单晶生产方法为固态物理学研究开辟了有希望的途径

单晶是晶格在样品边缘连续且不间断的材料，没有晶界。原子占据规则的位置，这些位置在空间中无限重复。虽然多晶由许多不同尺寸和取向的晶粒或微晶组成，但单晶由单个晶粒组成。

大量供应高质量的单晶对于研究材料的固有物理性质至关重要。它们可以通过各种技术合成。最广泛使用的金属间化合物单晶生长方法称为化学气相传输(CVT)。

由巴西圣保罗大学洛雷纳工程学院(EEL-USP)的研究人员领导的团队设计并成功试用了一种替代技术。一篇关于这项研究的文章发表在《晶体生长杂志》上。

“传统的CVT由化学反应组成，其中化合物与化学试剂反应形成挥发性复合物。这种复合物移动到实验装置的不同区域，其温度与发生第一个化学反应的区域的温度不同并最终以单晶的形式沉积。为了使单晶生长，需要温度梯度，因为它产生了必要的热力学势。在我们称之为等温化学气相传输[ICVT]的新技术中，生长无需温度梯度即可发生，”该文章的第一作者LucasEduardoCorrêa说。

该研究是Correa博士的一部分。研究，由AntonioJeffersondaSilvaMachado教授监督。

“在我们开发的方法中，化学势梯度是推动单晶生长的因素，”该文章的最后一位作者Machado说。

图形概要。学分：晶体生长杂志(2022年)。DOI:10.1016/j.jcrysgro.2022.126819

“在封闭的环境中，多晶材料颗粒和运输剂在足够高的恒定温度下接触，以产生反应并形成气态复合物。考虑运输剂最初与多晶表面反应是合理的材料，在晶粒内部和与气相的界面之间产生化学势梯度。由于这种梯度，气相和固相之间无法获得热力学平衡。

“当气相达到饱和点时——通过使用非常少量的传输剂来促进——颗粒的化学势低于气体的化学势。在这一点上，发生了气体通量的反转，并且粒料的表面是单晶成核的一个点。”

据研究人员称，等温生长过程与传统的CVT相比具有许多优势。首先是不需要两区炉，因为在等温生长中，整个实验装置的温度保持恒定。一般来说，可以使用简单的均匀炉来促进生长。其次，不需要对管进行化学攻击，因为颗粒本身就是成核点，从而简化了生长过程。

“重要的是要注意获得的晶体的晶体学质量非常高。不会出现晶种。总之，等温生长过程是传统CVT的简化版本，可以生长更大的晶体，”Corrêa说。

尽管ZrTe2、TiTe2和HfTe2等几乎是二维的材料都获得了生长，但研究人员认为该方法可以在适当的热力学条件下应用于其他系统。

“相关材料的相关性在于碲原子之间的间隙，因此其他原子或分子可以插入材料中，”马查多说。“事实上，化合物ZrTe2的电子结构表现出非平凡的拓扑结构。我们发现镍[Ni]插入该间隙会导致临界温度接近4.0K的超导体行为。”

在材料中观察到的另一种不稳定性——以及与超导性竞争的不稳定性——是电荷密度波(CDW)的存在。除了潜在的量子计算应用外，这些特性还使此类材料对研究固态物理学的基础知识具有吸引力。研究人员对其他嵌入进行了测试，并作为Corrêa博士的一部分进行了分析。研究。