결정 육성과 품질 평가 컴퓨터응용과학부 조애희 내가 키운 결정의 패턴의 형태

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1 결정 육성과 품질 평가 컴퓨터응용과학부 99225073 조애희 내가 키운 결정의 패턴의 형태
결정 육성과 품질 평가 컴퓨터응용과학부 조애희 내가 키운 결정의 패턴의 형태 배율, 개수를 구하고 넓이에 대한 밀도를 구하여 단위 면적당 결함의 수를 구하고 결정의 품질을 평가한다 원자핵은 매우 작은 사이즈 결정핵은 결정이 커나가기 위해 생기는 최소크기의 결정

2 ◎ 목차 서론 본론 결론 및 향후과제 결정 육성의 목적 결정의 구조 격자결함 전위 (轉位, 어긋나기, Dislocation)
에칭 (Etching) 결정의 육성 과정 핵생성과 성장 용해도 곡선과 수용액법 결정의 품질 평가 결론 및 향후과제 결정 육성의 목적을 밝히고 결정을 통해 결함이나 뒤틀림을 관찰하고 거기에 따른 결정의 이용분야를 안다.

3 ◎ 결정 육성의 목적 홍채 지문 결정의 표면 지문, 홍채 : 사람의 고유한 패턴을 인식.
결정 : 표면의 무늬로 자라온 환경이나 습성 등을 반영한다고 볼 수 있다. 이러한 결정의 표면을 관찰하고 목적에 알맞은 등급으로 육성함으로써 해당되는 분야에서 적절한 등급의 결정 이용을 목표로 한다 품질평가 필수적!!!!! 사용목적에 따른 등급 결정의 표면

4 ◎결정의 구조(crystal structure)
결정이란 단위세포(unit cell)가 규칙적으로 배열하여 공간격자(space lattice)를 형성한 것으로 모든 결정물질은 단위격자의 종류에 따라 크게 7 개의 결정계로 분류함. 고체 재료는 원자나 이온간의 배열이 3차원적이며 규칙적으로 배열된 결정질(결정성 : crystalline)과 유리, 고무와 같이 배열에 규칙성이 없는 비정질(비결정성 : noncrystalline 또는 amorphous)로 크게 구별된다. 결정질 고체의 경우 결정 구조에 의해 물질의 여러 성질들이 결정된다. 이러한 결정 구조에는 비교적 간단한 구조를 갖는 금속에서부터 세라믹, 폴리머와 같이 복잡한 구조를 갖는 것 등 매우 다양한 형태로 되어 있다. 여기서는 이러한 다양한 결정 구조의 종류와 그들간의 차이를 살펴보고 결정의 주기성에 대하여 알아보고자 한다. 결정 구조를 이해하기 위하여 입방 구조를 기본으로 중요한 결정학적 용어를 정의하고자 한다. 또한 이들 정의된 용어를 사용하여 격자 내의 면과 방향에 대한 표기 방법도 검토할 것이다. 주로 사용되는 반도체 재료는 다이아몬드 격자를 기본으로 하여 일부 변형된 형태로 되어 있다. 이들 구조에 대해서 보다 자세하게 설명하고자 한다 -설명 부분 결정질 고체는 물질을 구성하고 있는 원자들이 주기적 또는 반복적 배열을 이루고 있다. 이들 기본적 원자 규칙은 고체 전체를 통해서 작은 원자군 패턴이 반복적으로 되풀이된다. 결정 내에서의 주기적 원자 배열을 격자(lattice)라 고 부른다. 따라서 반복되는 최소 원자군을 단위정 또는 단위격자(Unit cell)라고 한다. 일반적으로 이들 단위정은 3종류의 평행면을 갖는 평행육면체 또는 각기둥 구조로 되어 있다. 이들 단위격자가 주기성을 띠게 되면 결정 내 등가적 지점에서 똑같은 주기성을 발견할 수 있다. 물론 결정질 중에는 전체적으로 규칙성이 있는 경우와 그렇지 알은 경우가 있다. 규칙성이 있는 경우를 단결정(simple cystal 또는 monocrycal)이라고 한다. 주기성이 없는 경우를 비정질이라고 한다. 한편 물질이 여러 개의 단결정 구조로 되어 있는 경우가 있는데 이를 다결정(polycrystalline)이라 부른다 추상적인 점들의 집합(격자) 격자(가상적인 공간)는 단지 표현하기 위한 수학적인 표현 결정을 만드는 것은 원자나 분자나 이온이 된다. 격자점 부근 혹은 격자점 사이사이. 원자들은 자기들이 좋아하는 자리를 찾아간다… 공간적인, 주기적인 배열을 갖는 것을 격자라 한다. 주기적 배열의 최소 단위 –단위세포 계속 이런 식으로 배열되면 이상적인 단결정이 된다. 같은 격자점과 배열을 가지지만 방향만 틀린 것들이 같이 있는 것은 다결정이다. 단위세포: 주기적 배열의 최소단위

5 ◎ 격자 결함과 종류 1. 격자 결함 2. 격자 결함의 종류 점 결함 ( Point defects )
결정(結晶)에서 결정격자의 규칙적 배열이 어긋난 상태. 2. 격자 결함의 종류 점 결함 ( Point defects ) 쇼트키 결함 ( Schottky defect, Vacancy ) 프렌켈 결함 ( Frenkel defect, Interstitial ) 불순물 원자 (Impurity atom ) 선 결함 ( Line defects ) 전위 (轉位, 어긋나기, Dislocation ) 면 결함 ( Surface defects ) 결정 표면 ( Crystal surface ) 계면 ( Interface ) 입계면 ( Grain boundary ) 결정 표면의 원자는 주위 원자가 없으므로 그 위치에 강하게 유지되어 있지 못하다. 이는 전기와 화학적 성질에 영향을 미친다. 대부분의 재료는 결정입자(grain)라고 하는 많은 작은 결정영역으로 이루어져 있다. 이 결정립은 개개 다른 배향을 갖는다. 이들 결정립의 표면은 결정이 성장할 때 입계(boundary)를 만든다. 이 내부표면을 따라 원자배열은 불완전하다. 두 격자가 작은 각도에서 만나면 입계는 칼날전위의 열로 묘사될 수 있다. 이온결합의 특징 전기적, 열적 절연성뿐만 아니라 기계적으로 단단하나 깨지기 쉽다. 격자결함에는 여러가지 종류가 있는데 그 중 5개만 설명함 계면의 예: 다이오드 제작시 생기는 중간영역 (p타입과 n타입이 스무스하게 연결된 모습) p타입 제작시 불순물을 삽입하여 n타입을 만드는데 그 사이에 생기는 경계면 표면: 무한히 큰 결정이 만들어 질 수가 없기 때문에 표면도 내부의 입장에서 보면 하나의 결함이 된다. 입계: 알갱이끼리 부닥치면서 생기는 면들. 결정의 표면이나 경계면에 생기는 결함 결함은 크면서 완정성(이상적 상태)으로부터 벗어난다.

6 점결함 쇼트키 결함 완전 격자 프렌켈 결함 (Schottky defect) (Frenkel defect)
빈자리 (vacancy) 점결함 -Surfaces and Grain Boundaries 대부분의 재료는 결정입자(grain)라고 하는 많은 작은 결정영역으로 이루어져 있다. 이 결정립은 개개 다른 배향을 갖는다. 이들 결정립의 표면은 결정이 성장할 때 입계(boundary)를 만든다. 이 내부표면을 따라 원자배열은 불완전하다. 두 격자가 작은 각도에서 만나면 입계는 칼날전위의 열로 묘사될 수 있다. 완전 격자 프렌켈 결함 (Frenkel defect) 틈새 (interstitial)

7 선결함 불순물 원자 (impurity atom) ex) 반도체 ( p-type, n-type )
: 주된 원자가 있어야 할 자리에 다른 원자가 끼여 있는 결함으로 이 원자를 불순물 원자라고 함. ex) 반도체 ( p-type, n-type ) 선결함 전위 (轉位, 어긋나기, dislocation) : 결정 격자에서 배열이 선상 또는 면상을 경계로 어긋난 결함을 말함. 이런 결함을 가진 결정은 과연 어떤 곳에서 쓰일 것인가? 밀러 지수란 무엇인가 결정은 성장시 어떠한 대칭성을 가지는가

8 ◎전위(轉位,어긋나기,Dislocation) : 결정의 기계적 성질을 지배한다
(1) 칼날 전위 ( Edge dislocation ) : 칼날전위는 격자에 원자의 잉여면을 삽입함으로써 가장 쉽게 가시화할 수 있으며, 이 면이 끝나는 곳 에서 원자의 규칙적인 열이 갈라짐 (2) 나선 전위 ( Screw dislocation ) : 나선전위는 원자가 전위선에 평행한 방향으로 변위 되었을 때 일어남 칼날전위 (edge dislocation)  과잉 반쪽면을 격자 내에 삽입하여 만든 전위. 어떨때 칼날전위가 나타나고 어떨때 나선전위가 나타나는지, 두개의 속력차이는 무엇인지, 이동 속도가 낮은 온도 범위에서 50배가 차이 난다고 하던데 그 이유는 무엇인지.(칼날전위가 50배 높음) 전위 부근의 원자들은 규칙적인 정렬을 하지 않으며, 비교적 쉽게 전위의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동할 수 있다 힘을 가했을때 전위의 밀도가 증가함(결정의 기계적 성질) 탄성이 아니라 소성이기 때문에

9 ◎ 나선형 어긋나기와 결정이 성장하는 과정 재료에서 대부분의 전위와 마찬가지로 각 loop는 칼날과 나선형의 부분을 함유하는 혼합전위이다. 이는 하나의 결정표면에서 칼날전위로 그리고 다른 표면에서는 나선전위로 나타날 수 있다. 힘을 가했을때 전위의 밀도가 증가함(결정의 기계적 성질) 탄성이 아니라 소성이기 때문에

10 ◎ 에칭 (Etching) 하게 될 경우, 같은 물질은 같은 반사율을 가지므로 높낮이를 알 수 없게 된다.
결정의 결함결정의 위에서 관찰 하게 될 경우, 같은 물질은 같은 반사율을 가지므로 높낮이를 알 수 없게 된다. 그래서 임의적으로 표면을 부식시켜 높낮이 를 만들어 서로의 반사율 을 다르게 하여 관찰을 보다 용이하게 한다. 결함은 광학 현미경으로는 관찰이 불가능하다 광학현미경: 우리 눈에 보이는 파장은 가시광선 그러면 우리 눈에 보이지 않는 것들을 보려면 어떻게 해야 하는가? 우리는 보통 가시광선 현미경을 쓰기 때문에 더 작은 것들은 보기 힘듬. 그래서 보기 위해서는 더 작은 현미경을 사용해야함. 더 짧은 파장의 현미경이 필요하게됨. 작고 큰 침전물 : 점결함들이 뭉쳐져 있는 모양 치환원자가 덩어리채로 모여있는 모양들 한층에서 비거나 끼어드는 것 층자체가 빠지거나 끼어드는것: 적층결함 원자층이나 면이 줄로 전부 끼어들거나 빠지는 것: 전위 :결정의 결함을 보다 쉽게 관찰하기 위해 결정 표면에 가하는 기법

11 ◎ 결정 육성: 핵 생성과 성장 결정핵 생성(Nucleation) 2. 결정 성장 (Growth)
-균질 핵생성(Homogeneous Nucleation) : 과냉각된 액체에서 원자들은 성장을 위해 집단을 형성하게 되고 이런 핵들이 크게 성장함에 따라 균질 핵생성이 일어난다. -불균질 핵생성(Heterogeneous Nucleation) : 특정장소에서 핵이 생성된다. 불균질 핵생성은 균질 핵생성보다 핵 생성을 위한 에너지가 적게 들어 더욱 용이하게 나타난다. 2. 결정 성장 (Growth) 크게 성장함에 따라 에너지가 감소하고 핵이 안정해지며 균질 행생성이 일어난다. 왜 아무것도 없었던 수용액에서 핵이 성장하는가? 그 이유를 말하라 결정의 외형은 핵생성과 성장과정에 의하여 이해하면 쉽다. 아래의 그림과 같이 몇개의 단위포가 모여 핵을 생성할 때, 이미 (a)와 같이 결정면을 형성하게 된다. 이어서 계속 원자들이 (b)와 같이 달라 붙어서 (c)에서 보이는 것처럼 새로운 결정면을 형성하고, 이와 같은 과정이 계속되어 결정이 성장하게 된다. 결정 면을 따라 결정이 성장해 나가는 모습

12 ◎결정육성 방법 (수용액법) 황산 암모늄, 인산칼륨 (NH4)2SO4 포화용액 용매 증발 (NH4)2SO4 핵 생성 핵 성장
여과 및 건조 (NH4)2SO4 포화용액 종자 결정 매달기 결정 성장 수확 및 선택 결정

13 ◎ 용해도 곡선 용해도 = 용매 100g 에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g 수. 용해도 구역 그림 그리기

14 결정 성장의 방법 <용액 온도 차이법> A <냉각법> 1. 냉각법 : 실온보다 높은 온도에서 과포화된 결
정 성장 용액의 온도를 천천히 냉각시 켜서 용액 속에 단결정이 성장하는 법. 2. 용액 온도 차이법 : 종자가 위치한 부분보다 다른 부분의 온도를 높게 하여 상대적으로 과포화를 만들어 석출하는 법. - 냉각법 : 실온보다 높은 온도에서 과 포화된 결정 성장 용액의 온도를 천천히 냉각시켜서 용액 속에 단결정이 성장되도록 하는 방법이다. 이 방법으로 크고 질 좋은 단결정을 얻기 위해서는 오랜 시간 동안 일정한 율로 온도를 천천히 냉각시켜야 한다. (닫힌 용기내의 결정성장 , Slow Cooling에 의한 결정성장 1: 용액 2: 성장중인 결정 3: 유리판 4: 일정한 온도의 액체 5: 온도조절기) 용액 온도 차이법 : 용액 속에서 종자가 위치한 부분보다 다른 부분의 온도를 높게 만들면 높은 온도를 가지는 위치에서 포화가 생긴다. 이 용액을 낮은 온도에 두면 과포화되어 석출이 일어나게 되는데 이 방법을 용액 온도 차이법이라 말한다. (1: 온도계 2,3: 고정나사 4: 뚜껑 5: 온도조절기 6,7,8: 전열기 9: 지지대) 그 외에도 온도차이법, 용매증발법, 일정온도증발법등이 있따. B

15 ◎ 현미경을 이용한 결정의 품질평가-1 황산암모늄 (NH4)2SO4 디지털 현미경 (반사):10X
결정 모양의 설명 용액이 묻어 있는 상태를 그대로 관찰한 것. 폴리싱을 안한 키운 그 자체이다. 4번째 그림 거칠다. 디지털 현미경 (투과):10X 광학 현미경(투과) : 40X

16 ◎현미경을 이용한 결정의 품질 평가-2 인산칼륨 KH2PO4 (KDP) 디지털 카메라 (반사 빛 이용)
디지털 카메라 (반사 빛 이용) 디지털 현미경 (투과 빛 이용) 광학 현미경(투과):40X 광학 현미경(투과):40X

17 ◎현미경을 이용한 결정의 품질 평가-3 에칭 전 에칭 후 인산칼륨 KH2PO4 (KDP) 디지털 현미경 (반사) :60X
성장속도가 다르면서 나타나게 되는 흠이다 물로 에칭해서 표면 처리를 하는 시간을 최적화시키지 못했음 좋은 조건을 만들어내지 못했음. 에칭을 하고 나서도 원하는 전위를 얻기가 힘들었음 디지털 현미경 (반사) :60X 디지털 현미경 (반사) :60X

18 ◎ 결론 및 향후 과제 1) 용액으로부터의 결정 육성 2) 결정 품질 평가 : 광학 현미경을 이용한 어긋나기 밀도 및 공간분포
거시적 흠을 많이 포함하였음. 불만족!!!!! 광학적 응용을 위해서 좋은 품질의 결정을 얻어야 함. 할 일: 온도, 습도, 과포화도 정밀 조절하여 원하는 결정 크기, 결정 모양, 결정 품질 등을 얻도록 한다. 2) 결정 품질 평가 : 광학 현미경을 이용한 어긋나기 밀도 및 공간분포 패턴 등에 대한 영상정보 획득 미흡. => 좋은 결정 육성 및 에칭 방법을 개선하여야 함. 3) 영상정보 처리 : 화질, 콘트래스트 강화 및 통계처리 S/W 필요, 4) 결정 핵 생성 및 성장에 대한 열역학 및 시간 의존성 (Kinetics)에 관련된 이론, Algorithm 공부 컴퓨터 시뮬레이션, 분자 모델링 (Molecular modeling) 공간 분포를 알고 싶었고 밀도도 알고 싶었지만 샘플의 질이나 현미경의 상태에서 영상정보의 획득이 미흡했다. 시간 의존성: 시간에 따라 어떻게 달라지는가 그 분야의 내용이 워낙 방대해서 읽기가 어려웠음…