ทฤษฎีการเติบโตของคริสตัลเลเซอร์

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 หลักการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ถูกนำมาใช้อย่างต่อเนื่องเพื่อควบคุมกระบวนการเจริญเติบโตของผลึก และการเจริญเติบโตของผลึกก็เริ่มพัฒนาจากศิลปะสู่วิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งนับตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา การพัฒนาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนผลึกเดี่ยวเป็นส่วนประกอบ ได้ส่งเสริมการพัฒนาทฤษฎีและเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาสารกึ่งตัวนำผสมและวัสดุอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ วัสดุออปโตอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุออปติคัลแบบไม่เชิงเส้น วัสดุตัวนำยิ่งยวด วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริก และวัสดุผลึกเดี่ยวโลหะ ได้นำไปสู่ปัญหาทางทฤษฎีมากมาย และความต้องการเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกก็เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ การวิจัยเกี่ยวกับหลักการและเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกจึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้น และกลายเป็นสาขาสำคัญของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่
ปัจจุบัน การเติบโตของผลึกได้ค่อยๆ ก่อตัวเป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ชุดหนึ่ง ซึ่งถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมกระบวนการเติบโตของผลึก อย่างไรก็ตาม ระบบทฤษฎีนี้ยังไม่สมบูรณ์แบบ และยังคงมีเนื้อหาอีกมากที่ต้องอาศัยประสบการณ์ ดังนั้น การเติบโตของผลึกเทียมจึงมักถูกมองว่าเป็นการผสมผสานระหว่างงานฝีมือและวิทยาศาสตร์
การเตรียมผลึกที่สมบูรณ์ต้องมีเงื่อนไขดังต่อไปนี้:
1. ควรควบคุมอุณหภูมิของระบบปฏิกิริยาให้สม่ำเสมอ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดภาวะเย็นหรือร้อนเกินไปเฉพาะที่ ซึ่งจะส่งผลต่อการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึก
2. กระบวนการตกผลึกควรเป็นไปอย่างช้าที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันการเกิดนิวเคลียสตามธรรมชาติ เนื่องจากเมื่อเกิดนิวเคลียสตามธรรมชาติแล้ว จะเกิดอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากขึ้นและขัดขวางการเจริญเติบโตของผลึก
3. จับคู่อัตราการเย็นตัวกับการเกิดนิวเคลียสของผลึกและอัตราการเจริญเติบโต ผลึกจะเจริญเติบโตอย่างสม่ำเสมอ ไม่มีการไล่ระดับความเข้มข้นในผลึก และองค์ประกอบไม่เบี่ยงเบนจากสัดส่วนทางเคมี
วิธีการเพาะเลี้ยงผลึกสามารถแบ่งได้เป็นสี่ประเภทตามประเภทของเฟสหลัก ได้แก่ การเพาะเลี้ยงแบบหลอมเหลว การเพาะเลี้ยงแบบละลาย การเพาะเลี้ยงแบบไอ และแบบเฟสแข็ง วิธีการเพาะเลี้ยงผลึกทั้งสี่ประเภทนี้ได้พัฒนาเป็นเทคนิคเพาะเลี้ยงผลึกหลายสิบแบบที่มีการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขควบคุม
โดยทั่วไป หากกระบวนการทั้งหมดของการเจริญเติบโตของผลึกถูกสลายตัว ควรมีอย่างน้อยกระบวนการพื้นฐานต่อไปนี้: การละลายของสารละลาย การก่อตัวของหน่วยการเจริญเติบโตของผลึก การขนส่งหน่วยการเจริญเติบโตของผลึกในตัวกลางการเจริญเติบโต การเจริญเติบโตของผลึก การเคลื่อนที่และการรวมกันของธาตุบนพื้นผิวผลึกและการเปลี่ยนแปลงของอินเทอร์เฟซการเจริญเติบโตของผลึก เพื่อให้บรรลุการเจริญเติบโตของผลึก