クリスタル素材の究極ガイド

結晶は、電気、磁気、光、音、力などの相互作用と変換を実現することができる。現代の科学技術の発展において、欠くことのできない重要な材料である。

特に、固体マイクロエレクトロニクスの急速な発展により、半導体結晶、レーザー結晶、シンチレーション結晶、光学結晶、超硬結晶、絶縁性結晶、圧電結晶など、多種多様な結晶材料の必要性が高まっています。結晶材料は材料科学発展の最前線にあり、宇宙、エレクトロニクス、レーザー、新エネルギー開発、生物医学などの新技術と密接に関係している。結晶材料の種類とその応用範囲は極めて広い。

本稿では、一般的な結晶材料とその応用について簡単に紹介する。

半導体結晶

半導体結晶は半導体産業の主要な基礎材料である。その応用範囲の広さと重要性において、結晶材料の中でトップの地位を占めています。

半導体結晶は、1950年代に開発され、半導体の代表的な材料の第一世代：ゲルマニウム（Ge）単結晶とシリコン単結晶（Si）、それらから作られたダイオード、トランジスタ、電界効果管、シリコンコントローラ、ハイパワー管や他のデバイスの様々な、回路の急速な発展のわずか十数ユニットから集積回路が超大規模集積回路のコンポーネントの数千を含むように、マイクロエレクトロニクスの分野の急速な発展の中核として集積回路（IC）をトリガし、大幅にコストを削減しながら、集積回路の仕事の信頼性を向上させます。また、宇宙開発、核兵器、ミサイル、レーダー、電子計算機、軍用通信機器、民生用アプリケーションなど、ICの幅広い応用を促進した。

第2世代の半導体材料は、主にガリウムヒ素（GaAs）、インジウムアンチモン（InSb）、インジウムリン（InP）などの化合物半導体で、高周波、高速、高出力の電子デバイスを作るのに使われ、衛星通信、移動体通信、光通信などの分野で広く使われている。GaAs、InPおよびその他の化合物材料は希少であり、合成によって形成する必要があり、価格が比較的高く、環境に有害であるため、より広く使用されることが困難であり、より限定され、徐々に第三世代の半導体材料に取って代わられた。

第三世代の半導体材料は、主に炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、酸化亜鉛（ZnO）、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（AlN）に代表される広帯域半導体材料である。第3世代半導体材料は、第1世代半導体材料や第2世代半導体材料に比べて、バンド幅が広く、高ブレークダウン電界、高熱伝導率、高電子飽和率、高耐放射線性を有するため、高温、高周波、耐放射線性、高出力デバイスの作製に適しており、通常、ワイドバンド半導体材料（バンド幅2.2ev以上）と呼ばれ、高温半導体材料とも呼ばれる。

光学結晶

光学結晶は、結晶の光学部品として使用され、例えば、ハロゲン化リチウム結晶フッ化物、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウムは、紫外線と赤外線の良好な透過特性を持っているので、紫外線エキシマレーザーや一部の赤外線レーザー出力ウィンドウ、レンズ、プリズム、ローター、波長シートなどとして使用することができます。サファイアAl2O3、バナジン酸イットリウムYVO4、水晶などの酸化物も上記レーザーのワークとして使用できます。 サファイアAl2O3、バナジン酸イットリウムYVO4、水晶などの酸化物も上記レーザーの出力窓、レンズ、プリズムなどとして使用できます。

レーザー結晶

レーザーは素晴らしい「物質」であり、原子エネルギー、コンピュータ、半導体に続く人類のもう一つの大発見です。周知のように、レーザーの明るさは非常に高く、太陽の明るさの10億倍、あるいはそれ以上に達することができます。レーザーは純粋で単色です。レーザーは比類のないコリメーション（直線伝搬）を持っています。そして、レーザーは強力なエネルギーを持っており、瞬間的なエネルギーの爆発は、最も硬い物体をも貫通し、溶かすことができます。そのため、レーザーは生産、生活、研究に広く利用されており、人々が自然を探索するための強力なツールとなっている。

レーザー光を発生させる装置をレーザーと呼ぶ。現在、さまざまなレーザーがある中で、最も有望視されているのが全固体レーザーである。レーザー結晶（lasercrystal）は、外界から供給されるエネルギーを、光学的に共振する共振器を通して、空間的にも時間的にもコヒーレントな、平行性の高い単色レーザーに変換する結晶材料で、結晶レーザーの作動物質であり、固体レーザー技術と産業を支える基本的な材料である。一般的なレーザー結晶材料には、Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、チタン宝石結晶、ルビー結晶などがあります。

シンチレーション結晶

高エネルギー粒子の衝突により、高エネルギー粒子の運動エネルギーを光エネルギーに変え、蛍光を発することができる結晶をシンチレーション結晶といいます。シンチレーション結晶は、X線、γ線、中性子などの高エネルギー粒子の検出に用いることができます。シンチレーション結晶を核とした検出・イメージング技術は、核医学、高エネルギー物理学、セキュリティ検査、工業用非破壊欠陥検出、宇宙物理学、核探査などに広く利用されています。通常、応用されるシンチレーション結晶材料は人工的な方法で育成され、多くの種類がある。現在、より多く使用されているシンチレーション結晶は、BGO（Bi2O3-GeO2系化合物ゲルマニウムビスマスの総称の略）、CsI（ヨウ化セシウム）、PbWO4（タングステン酸鉛）等である。

超硬質結晶

ダイヤモンドは「ダイアモンド」とも呼ばれる天然鉱物で、自然界で最も硬い物質である。炭素元素からなる単結晶で、地球深部の高温高圧下で長い年月をかけて形成される。自然界で発見され採掘されるダイヤモンドは極めて稀で、通常は4立方メートルの豊富な鉱石から合計1カラットしか細かく砕いたダイヤモンドを得ることができず、透明で欠点のない大粒のダイヤモンドはさらに稀である。

1950年代以降、人々はダイヤモンドを人工的に合成するために、主に高温高圧法（HTHP）、化学気相成長法（CVD）、ブラスト法などの様々な方法を研究・開発してきました。1955年、GEが初めて高温高圧法でダイヤモンド結晶を合成した。1980年代に入ると、世界中でCVDダイヤモンドの研究ブームが起こり、ホットフィラメント法（HFCVD）、マイクロ波プラズマ法（MPCVD）、DCアークプラズマジェットCVDなど様々な調製法が開発され、その後の応用の基礎が築かれました。

高い硬度はダイヤモンドの多くの特徴の一つです。ダイヤモンドの極めて高い硬度を利用して、様々な工具に調製することができ、石材、非鉄金属、難加工複合材料（炭素繊維複合材料など）等の加工においてかけがえのない役割を果たし、効率的で高精度、かつ環境に優しい加工を実現することができる。

ダイヤモンドを大量に使用する過程で、人々はその欠点も観察してきた。最も顕著な点の一つは、ダイヤモンドでいくつかの硬い材料を加工するとき、例えば、大量の鋼や焼結炭化ケイ素を研削するように、ダイヤモンドの表面温度は1500〜2000℃まで、この条件では、ダイヤモンドの強度が急速に低下し、空気中の酸素と非常に簡単に拮抗して同様の "燃焼 "現象を生成することです。同時に、ダイヤモンド自体も研削に使えない柔らかいグラファイトに還元され続けるため、ダイヤモンドの損失が非常に速くなる。人々の絶え間ない探求の後、新型の超硬材料立方晶窒化ホウ素結晶はダイヤモンドの欠点を補うために合成された、立方晶構造の窒化ホウ素-CBN、その結晶構造はダイヤモンドに似ている、硬度はダイヤモンドより少し低いが、熱安定性は金鋼よりはるかに高い、鉄金属元素は化学的安定性が高い。立方晶窒化ホウ素砥粒の研削性能は優れており、難削材を加工して生産性を向上させるだけでなく、化学的に不活性であるため、工作物の研削品質を効果的に向上させることができる。どちらにもそれぞれの長所があり、実際の用途は場面によって異なる。

圧電結晶材料

水晶に外力が加わると、水晶は分極して表面電荷を形成します。この現象は正圧電効果と呼ばれ、逆に水晶に電界が加わると、水晶は変形します。この現象は逆圧電効果と呼ばれます。圧電効果を持つ結晶は圧電結晶と呼ばれ、対称中心を持たない結晶にのみ存在する。最初に発見された圧電結晶は水晶（α-SiO2）で、周波数安定性という特性を持ち、共振器、フィルター、変換器、光偏向器、音波表面波デバイス、各種熱、ガス、感光、化学感応デバイスを作るための理想的な圧電材料です。また、クオーツ時計、電子時計、カラーテレビ、ステレオラジオ、テープレコーダーなど、人々の日常生活にも広く使われている。

近年、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やニオブ酸カリウム(KNbO3)などのカルコゲナイド型構造の圧電結晶が開発されている。これらの結晶の圧電効果を利用して、血圧計、圧電キーボード、遅延線、発振器、超音波トランスデューサ、圧電トランスなど、軍需産業や民間産業で広く使用されているさまざまなデバイスを作ることができます。

絶縁結晶

絶縁ウエハーの典型的な例はマイカウエハーです。マイカとは層状珪酸塩鉱物の総称で、絶縁性、透明性、耐熱性、耐食性、剥離性、伸縮性などの特性を持つ。電気モーター、電化製品、電子機器、ラジオ、家電製品などに広く使用され、国民経済や国防建設に重要な役割を果たしている。天然雲母の種類は多いが、工業に使用されるのは主に白雲母で、次いで金雲母である。

合成雲母は、純度、透明性、耐高温性、耐食性、電気絶縁性などに優れているため、合成雲母単結晶板は以下の用途に使用されています：

ガスペダル、電離箱、マグネトロン、電子管などの各種真空装置の絶縁枠；

マイクロ波管出力窓、高温炉観察窓、耐酸・耐アルカリ窓などの窓材；

火力発電所の高圧ボイラー水位計；

耐高温コンデンサ、白金線 表面温度計骨格など

まとめ

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズは、多くの応用機器に使用される機能性結晶材料を製造している。機能性結晶材料には主に、磁気光学結晶TGGテルビウムガリウムガーネット、TSAG、圧電結晶LT（LiTaO3）タンタル酸リチウム、LN（LiNbO3）ニオブ酸リチウム、LGSランタンガリウムシリケート、シンチレーション結晶Ce：LUAG、Ce：レーザー結晶Nd：YAG、単結晶エピタキシャル基板結晶GGG、SGGG、ランタンアルミネートLaAlO3など。

結晶材料は、電気および光学調整Qスイッチ、光アイソレータ、光ローテータなどのデバイスに広く使用されています。ファラデー自由空間アイソレータやファイバーアイソレータを含む光アイソレータは、波長450nmから1100nmまで様々です。