การตกผลึก
หลักการพื้นฐาน
คริสตัล โครงสร้างผลึก การก่อตัวของนิวเคลียส
แนวคิด
การตกผลึก การเจริญเติบโตของผลึก การตกผลึกใหม่ ผลึกเมล็ด โปรโตคริสตัลไลน์ ผลึกเดี่ยว
วิธีการและเทคโนโลยี
โบว์ล วิธี Bridgman–Stockbarger กระบวนการแวน อาร์เคล–เดอ โบเออร์ วิธี Czochralski เอพิแท็กซี วิธีฟลักซ์ การตกผลึกแบบเศษส่วน การแช่แข็งแบบเศษส่วน การสังเคราะห์ด้วยความร้อนสูง วิธี Kyropoulos การเจริญเติบโตของฐานรองด้วยความร้อนจากเลเซอร์ วิธีการของเลลี การดึงลงขนาดเล็ก กระบวนการขึ้นรูปในการเจริญเติบโตของผลึก เบ้าหลอมกะโหลก วิธี Verneuil การหลอมละลายของโซน
วี ที อี

ในวิทยาศาสตร์วัสดุผลึกเดี่ยว ( หรือของแข็งผลึกเดี่ยวหรือของแข็งโมโนคริสตัลไลน์ ) คือวัสดุที่โครงผลึกของตัวอย่างทั้งหมดมีความต่อเนื่องและไม่ขาดตอนไปจนถึงขอบของตัวอย่าง โดยไม่มีขอบเขตของผลึก^{[ 1 ]}การไม่มีข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับขอบเขตของผลึกสามารถทำให้โมโนคริสตัลมีคุณสมบัติเฉพาะตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้านกลศาสตร์ ด้านแสง และด้านไฟฟ้า ซึ่งอาจเป็นแบบแอนไอโซโทรปิกได้ เช่นกัน ขึ้น อยู่กับชนิดของโครงสร้างผลึก^{[ 2 ]}คุณสมบัติเหล่านี้ นอกจากจะทำให้พลอยบางชนิดมีค่าแล้ว ยังถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมในด้านเทคโนโลยี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านแสงและอิเล็กทรอนิกส์^{[ 3 ]}

เนื่องจาก ผลของ เอนโทรปีส่งเสริมให้เกิดความไม่สมบูรณ์บางอย่างในโครงสร้างจุลภาคของของแข็งเช่นสิ่งเจือปนความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอ และข้อบกพร่องทางผลึกศาสตร์ เช่นการเคลื่อนที่ของอะตอม ผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบที่มีขนาดที่มีความหมายจึงหายากมากในธรรมชาติ^{[ 2 ]}เงื่อนไขในห้องปฏิบัติการที่จำเป็นมักจะเพิ่มต้นทุนการผลิต ในทางกลับกัน ผลึกเดี่ยวที่ไม่สมบูรณ์สามารถมีขนาดใหญ่มากในธรรมชาติ: แร่หลายชนิด เช่น เบริล ยิปซัมและเฟลด์สปาร์เป็นที่ทราบกันว่ามีผลึกขนาดหลายเมตร

สิ่งที่ตรงข้ามกับผลึกเดี่ยวคือโครงสร้างอสัณฐานซึ่งตำแหน่งอะตอมถูกจำกัดไว้ที่การเรียงตัวในระยะสั้นเท่านั้น^{[ 4 ]}ระหว่างสองขั้วนี้มีผลึกหลายผลึกซึ่งประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กจำนวนมากที่เรียกว่าผลึกย่อยและเฟสพาราคริสตัลไลน์^{[ 5 ]}ผลึกเดี่ยวมักจะมีระนาบที่โดดเด่นและสมมาตร โดยมุมระหว่างระนาบจะกำหนดรูปร่างที่เหมาะสม อัญมณีมักเป็นผลึกเดี่ยวที่ถูกตัดตามระนาบผลึกวิทยาเพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการหักเหและการสะท้อนแสง^{[ 5 ]}

แม้ว่าวิธีการในปัจจุบันจะมีความซับซ้อนอย่างมากด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัย ​​แต่ต้นกำเนิดของการเติบโตของผลึกสามารถสืบย้อนไปถึงการทำให้เกลือบริสุทธิ์โดยการตกผลึกใน 2500 ปีก่อนคริสตกาล วิธีการที่ทันสมัยกว่าโดยใช้สารละลายในน้ำเริ่มขึ้นในปี 1600 คริสตกาล ในขณะที่วิธีการหลอมและไอเริ่มขึ้นประมาณปี 1850 คริสตกาล^{[ 6 ]}

วิธีการเจริญเติบโตของผลึกพื้นฐานสามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภทตามสิ่งที่ใช้ในการเจริญเติบโตเทียม ได้แก่ หลอมเหลว ของแข็ง ไอระเหย และสารละลาย^{[ 2 ]}เทคนิคเฉพาะในการผลิตผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ (หรือที่เรียกว่าboules ) ได้แก่กระบวนการ Czochralski (CZ) โซนลอยตัว ( หรือการเคลื่อนที่ของโซน) และเทคนิค Bridgmanดร. Teal และดร. Little จากBell Telephone Laboratoriesเป็นคนแรกที่ใช้วิธี Czochralski ในการสร้างผลึกเดี่ยว Ge และ Si ^{[ 7 ]}อาจใช้วิธีการตกผลึกอื่นๆ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของสาร รวมถึงการสังเคราะห์ด้วยความร้อนการระเหิดหรือการตกผลึกโดยใช้ตัวทำละลาย [ ^{8 ] ตัวอย่าง}เช่น สามารถใช้ วิธี Kyropoulos ที่ดัดแปลงแล้ว ในการปลูกผลึกเดี่ยวแซฟไฟร์คุณภาพสูงขนาด 300 กิโลกรัม^{[ 9 ]}วิธีVerneuilหรือที่เรียกว่าวิธีหลอมด้วยเปลวไฟ ถูกนำมาใช้ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 ในการทำทับทิมก่อนที่จะใช้วิธี CZ ^{[ 6 ]}แผนภาพทางด้านขวาแสดงวิธีการทั่วไปส่วนใหญ่ มีความก้าวหน้าใหม่ๆ เช่นการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) พร้อมกับรูปแบบต่างๆ และการปรับแต่งวิธีการที่มีอยู่ ซึ่งไม่ได้แสดงไว้ในแผนภาพ

ในกรณีของผลึกเดี่ยวโลหะ เทคนิคการผลิตยังรวมถึงเอพิแท็กซีและการเติบโตของเกรนที่ผิดปกติในของแข็ง^{[ 10 ]}เอพิแท็กซีใช้ในการวางชั้นบางมาก (ระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตร) ของวัสดุชนิดเดียวกันหรือต่างกันบนพื้นผิวของผลึกเดี่ยวที่มีอยู่^{[ 11 ]}การประยุกต์ใช้เทคนิคนี้อยู่ในด้านการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยมีศักยภาพในการใช้งานในสาขานาโนเทคโนโลยีอื่นๆ และการเร่งปฏิกิริยา^{[ 12 ]}

การปลูกผลึกเดี่ยวของพอลิเมอร์นั้นทำได้ยากมาก ส่วนใหญ่เป็นเพราะสายโซ่พอลิเมอร์มีความยาวต่างกันและเนื่องจากเหตุผลด้านเอนโทรปีต่างๆ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาโทโพเคมีเป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายในการสร้างผลึกเดี่ยวของพอลิเมอร์[1]

หนึ่งในผลึกเดี่ยวที่ใช้มากที่สุดคือผลึกซิลิคอนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ วิธีการผลิตผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์หลักสี่วิธีมาจากสารละลายโลหะ ได้แก่การปลูกผลึกแบบเฟสของเหลว (LPE) การปลูกผลึกแบบอิเล็กโทรเฟสของเหลว (LPEE) วิธีการใช้เครื่องทำความร้อนแบบเคลื่อนที่ (THM) และการแพร่เฟสของเหลว (LPD) ^{[ 13 ]} อย่างไรก็ตาม นอกจากผลึกเดี่ยวอนินทรีย์แล้ว ยังมีผลึกเดี่ยวอื่นๆ อีกมากมายที่สามารถเป็นเซมิคอนดักเตอร์ได้ รวมถึง เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ผลึกเดี่ยวด้วย

ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และเซลล์แสงอาทิตย์เป็นการใช้งานเทคโนโลยีผลึกเดี่ยวที่มากที่สุดในปัจจุบัน^{[ 14 ]} ในเซลล์แสงอาทิตย์ โครงสร้างผลึกที่มีประสิทธิภาพสูงสุดจะให้การแปลงแสงเป็นไฟฟ้าได้สูงสุด^{[ 15 ]}ใน ระดับ ควอนตัมที่ไมโครโปรเซสเซอร์ทำงาน การมีอยู่ของขอบเขตเกรนจะมีผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าเฉพาะที่^{[ 16 ]}ดังนั้น ผู้ผลิตไมโครโปรเซสเซอร์จึงลงทุนอย่างมากในโรงงานเพื่อผลิตผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ของซิลิคอน วิธี Czochralski และโซนลอยตัวเป็นวิธีการที่นิยมสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอน^{[ 17 ]}

ผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์ อ นินทรีย์ อื่นๆได้แก่ GaAs, GaP, GaSb, Ge, InAs, InP, InSb, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe และ ZnTe ส่วนใหญ่สามารถปรับแต่งด้วยการเจือปน ต่างๆ เพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการ^{[ 18 ]}กราฟีนผลึกเดี่ยวยังเป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับการใช้งานในด้านอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีความคล่องตัวของพาหะ สูง และค่าการนำความร้อนสูง และยังคงเป็นหัวข้อของการวิจัยที่เข้มข้น^{[ 19 ]}หนึ่งในความท้าทายหลักคือการปลูกผลึกเดี่ยวของกราฟีนสองชั้นหรือหลายชั้นให้สม่ำเสมอในพื้นที่ขนาดใหญ่ การเติบโตแบบเอพิเท็กเซียลและ CVD แบบใหม่ (ที่กล่าวถึงข้างต้น) เป็นหนึ่งในวิธีการใหม่ที่มีแนวโน้มดีที่อยู่ระหว่างการวิจัย^{[ 20 ]}

ผลึกเดี่ยวสารกึ่งตัวนำอินทรีย์แตกต่างจากผลึกอนินทรีย์ พันธะระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอหมายถึงอุณหภูมิหลอมเหลวที่ต่ำกว่า ความดันไอที่สูงกว่า และความสามารถในการละลายที่มากกว่า^{[ 21 ]}สำหรับการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว ความบริสุทธิ์ของวัสดุมีความสำคัญอย่างยิ่ง และการผลิตวัสดุอินทรีย์มักต้องใช้หลายขั้นตอนเพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ที่จำเป็น^{[ 22 ]}มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อค้นหาวัสดุที่มีเสถียรภาพทางความร้อนและมีความคล่องตัวของตัวนำประจุสูง การค้นพบในอดีตได้แก่ แนฟทาลีน เตตราซีน และ 9,10-ไดฟีนิลแอนทาซีน (DPA) ^{[ 23 ]}อนุพันธ์ของไตรฟีนิลอะมีนแสดงให้เห็นถึงศักยภาพ และเมื่อเร็ว ๆ นี้ในปี 2021 โครงสร้างผลึกเดี่ยวของ α-ฟีนิล-4′-(ไดฟีนิลอะมิโน)สติลเบน (TPA) ที่ปลูกโดยใช้วิธีการละลายแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่มากขึ้นสำหรับการใช้งานเป็นสารกึ่งตัวนำด้วยคุณสมบัติการขนส่งรูแบบแอนไอโซโทรปิก^{[ 24 ]}

ผลึกเดี่ยวมีคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์เนื่องจากเป็นเม็ดเดี่ยวที่มีโมเลกุลเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบและไม่มีขอบเขตของเม็ด^{[ 2 ]}ซึ่งรวมถึงคุณสมบัติทางแสง และผลึกเดี่ยวของซิลิคอนยังใช้เป็นหน้าต่างแสงเนื่องจากมีความโปร่งใสที่ความยาวคลื่นอินฟราเรด (IR) เฉพาะ ทำให้มีประโยชน์มากสำหรับเครื่องมือบางชนิด^{[ 4 ]}

แซฟไฟร์ : หรือที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าเฟสอัลฟาของอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3 _{) ผลึก} เดี่ยวแซฟไฟร์ถูกนำ มาใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมไฮเทค สามารถปลูกได้จากเฟสก๊าซ ของแข็ง หรือสารละลาย^{[ 9 ]}เส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกที่ได้จากวิธีการปลูกมีความสำคัญเมื่อพิจารณาการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ในภายหลัง มีการใช้สำหรับเลเซอร์และทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นการใช้งานที่โดดเด่นบางอย่าง ได้แก่ หน้าต่างของเครื่องอ่านลายนิ้วมือแบบไบโอเมตริก ดิสก์ออปติคอลสำหรับการจัดเก็บข้อมูลระยะยาว และเครื่องวัดการรบกวนของรังสีเอ็กซ์^{[ 2 ]}

อินเดียมฟอสไฟด์ : ผลึกเดี่ยวเหล่านี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในรูปแบบของใยแก้วนำแสงที่มีพื้นผิวขนาดใหญ่^{[ 25 ]}อุปกรณ์โฟโตนิกอื่นๆ ได้แก่ เลเซอร์ โฟโตดีเทคเตอร์ โฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์ ตัวปรับสัญญาณและตัวขยายสัญญาณแสง การประมวลผลสัญญาณ และวงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิก^{[ 26 ]}

เจอร์มาเนียม : นี่คือวัสดุในทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่คิดค้นโดย Bardeen, Brattain และ Shockley ในปี 1947 มันถูกใช้ในเครื่องตรวจจับรังสีแกมมาและเลนส์อินฟราเรดบางชนิด^{[ 27 ]}ปัจจุบันมันกลายเป็นจุดสนใจของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงเนื่องจากความคล่องตัวของตัวนำภายใน^{[ 26 ]}

อาร์เซไนด์ : อาร์เซไนด์ III สามารถรวมเข้ากับธาตุต่างๆ เช่น B, Al, Ga และ In ได้ โดยสารประกอบ GaAs เป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับเวเฟอร์^{[ 26 ]}

แคดเมียมเทลลูไรด์ : ผลึก CdTe มีการใช้งานหลายอย่าง เช่น เป็นพื้นผิวสำหรับการถ่ายภาพ IR อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก และเซลล์แสงอาทิตย์ [ ^{28 ] โดย}การผสม CdTe และ ZnTe เข้าด้วยกัน สามารถสร้างเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาที่อุณหภูมิห้องได้^{[ 26 ]}

โลหะสามารถผลิตได้ในรูปแบบผลึกเดี่ยวและเป็นวิธีการทำความเข้าใจประสิทธิภาพสูงสุดของตัวนำโลหะ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจวิทยาศาสตร์พื้นฐาน เช่น เคมีตัวเร่งปฏิกิริยา ฟิสิกส์พื้นผิว อิเล็กตรอน และโมโนโครมาเตอร์ [ ^{29 ] การ}ผลิตผลึกเดี่ยวโลหะมีข้อกำหนดด้านคุณภาพสูงสุดและถูกปลูกหรือดึงออกมาในรูปทรงแท่ง^{[ 30 ]}บริษัทบางแห่งสามารถผลิตรูปทรงเรขาคณิต ร่อง รู และหน้าอ้างอิงที่เฉพาะเจาะจงพร้อมกับเส้นผ่านศูนย์กลางที่แตกต่างกันได้^{[ 18 ]}

ในบรรดาธาตุโลหะทั้งหมด เงินและทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้า ที่ดีที่สุด ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นมาตรฐานสำหรับประสิทธิภาพ^{[ 31 ]}ขนาดของตลาดและความผันผวนของอุปทานและต้นทุนได้สร้างแรงจูงใจอย่างมากในการแสวงหาทางเลือกอื่นหรือหาวิธีใช้ให้น้อยลงโดยการปรับปรุงประสิทธิภาพ

ค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้าเชิงพาณิชย์มักแสดงโดยเทียบกับมาตรฐานทองแดงอบอ่อนสากล (International Annealed Copper Standard ) ซึ่งตามมาตรฐานนี้ ลวดทองแดงที่บริสุทธิ์ที่สุดที่มีอยู่ในปี 1914 มีค่าการนำไฟฟ้าประมาณ 100% ลวดทองแดงที่บริสุทธิ์ที่สุดในปัจจุบันเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีกว่า โดยมีค่าการนำไฟฟ้ามากกว่า 103% บนมาตราส่วนนี้ ข้อดีมาจากสองสาเหตุ ประการแรก ทองแดงในปัจจุบันมีความบริสุทธิ์มากกว่า อย่างไรก็ตาม แนวทางการปรับปรุงนี้ดูเหมือนจะสิ้นสุดลงแล้ว การทำให้ทองแดงบริสุทธิ์ขึ้นยังคงไม่ทำให้เกิดการปรับปรุงที่สำคัญ ประการที่สอง กระบวนการอบอ่อนและกระบวนการอื่นๆ ได้รับการปรับปรุง การอบอ่อนช่วยลดการเคลื่อนตัวของผลึกและข้อบกพร่องอื่นๆ ซึ่งเป็นแหล่งที่มาของความต้านทาน แต่ลวดที่ได้ยังคงเป็นผลึกหลายเหลี่ยม ขอบเกรนและข้อบกพร่องของผลึกที่เหลืออยู่เป็นสาเหตุของความต้านทานตกค้างบางส่วน ซึ่งสามารถวัดปริมาณและทำความเข้าใจได้ดีขึ้นโดยการตรวจสอบผลึกเดี่ยว

ทองแดงผลึกเดี่ยวได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีกว่าทองแดงผลึกหลายผลึก^{[ 32 ]}

อย่างไรก็ตาม ทองแดงผลึกเดี่ยวไม่เพียงแต่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีกว่าเงินผลึกหลายเหลี่ยมที่มีความบริสุทธิ์สูงเท่านั้น แต่ด้วยการอบชุบด้วยความร้อนและความดันที่เหมาะสม ยังสามารถเหนือกว่าเงินผลึกเดี่ยวได้อีกด้วย แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วสิ่งเจือปนจะส่งผลเสียต่อการนำไฟฟ้า แต่เงินผลึกเดี่ยวที่มีการแทนที่ด้วยทองแดงในปริมาณเล็กน้อยกลับพิสูจน์แล้วว่าดีที่สุด

ณ ปี 2009 ยังไม่มีการผลิตทองแดงผลึกเดี่ยวในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ แต่มีการนำวิธีการผลิตผลึกขนาดใหญ่มาก ๆ สำหรับตัวนำทองแดงไปใช้ประโยชน์ในงานด้านไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง ซึ่งอาจถือได้ว่าเป็นผลึกเดี่ยวแบบพิเศษ (meta-single crystals) ที่มีผลึกเพียงไม่กี่ชิ้นต่อความยาวหนึ่งเมตร

แม้ว่าการไม่มีขอบเขตของเกรนจะทำให้ความแข็งแรงของจุดครากลดลง แต่ก็ได้รับการชดเชยด้วยการลดลงของการคืบ ตัว เนื่องจากความร้อน ทำให้ของแข็งผลึกเดี่ยวเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูงและมีความคลาดเคลื่อนต่ำ เช่นใบพัดกังหัน^{[ 36 ] [ 37 ]}นักวิจัย Barry Piearcey พบว่าการดัดมุมฉากที่แม่พิมพ์หล่อจะช่วยลดจำนวนผลึกแบบคอลัมน์ และต่อมา นักวิทยาศาสตร์ของ Pratt & Whitneyอย่าง Tony Giamei ได้ใช้สิ่งนี้เพื่อเริ่มต้นโครงสร้างผลึกเดี่ยวของใบพัด^{[ 38 ] [ 39 ]}

ผลึกเดี่ยวมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิจัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งฟิสิกส์สสารควบแน่นและวิทยาศาสตร์วัสดุ ทุกด้าน เช่นวิทยาศาสตร์พื้นผิว^{[ 2 ]}การศึกษาโครงสร้างผลึกของวัสดุอย่างละเอียดด้วยเทคนิคต่างๆ เช่นการเลี้ยวเบนของแบร็กและการกระเจิงของอะตอมฮีเลียมนั้นง่ายกว่าเมื่อใช้ผลึกเดี่ยว เนื่องจากสามารถศึกษาการพึ่งพาเชิงทิศทางของคุณสมบัติต่างๆ และเปรียบเทียบกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีได้^{[ 40 ]}นอกจากนี้ เทคนิคการเฉลี่ยในระดับมหภาค เช่นสเปกโทรสโกปีการปล่อยโฟตอนแบบแยกมุมหรือการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานต่ำสามารถทำได้หรือมีความหมายเฉพาะบนพื้นผิวของผลึกเดี่ยว เท่านั้น ^{[ 41 ] [ 42 ]}ผลึกเดี่ยวยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบคุณสมบัติที่แท้จริงของวัสดุโดยใช้เทคนิคที่ไวต่อพื้นผิว เนื่องจากได้รับผลกระทบจากวิธีการเตรียมการน้อยกว่าฟิล์มบาง มาก ^{[ 43 ]}ในด้านสภาพนำยิ่งยวดมีกรณีของวัสดุที่พบสภาพนำยิ่งยวดเฉพาะในตัวอย่างผลึกเดี่ยวเท่านั้น^{[ 44 ]}อาจมีการปลูกเพื่อจุดประสงค์นี้ แม้ว่าวัสดุจะต้องการในรูปแบบ ผลึกหลายเหลี่ยม เท่านั้นก็ตาม

ด้วยเหตุนี้ วัสดุใหม่จำนวนมากจึงได้รับการศึกษาในรูปแบบผลึกเดี่ยว สาขาใหม่ของโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOF) เป็นหนึ่งในหลายสาขาที่มีคุณสมบัติเหมาะสมที่จะมีผลึกเดี่ยว ในเดือนมกราคม 2021 ดร. ดงและดร. เฟิง ได้แสดงให้เห็นว่าลิแกนด์อะโรมาติกแบบหลายวงสามารถปรับให้เหมาะสมเพื่อผลิตผลึกเดี่ยว MOF 2 มิติขนาดใหญ่ที่มีขนาดถึง 200 ไมโครเมตร ซึ่งอาจหมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างอุปกรณ์ผลึกเดี่ยวและกำหนดค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงและกลไกการขนส่งประจุได้^{[ 45 ]}

สาขาการเปลี่ยนแปลงที่ขับเคลื่อนด้วยแสงยังสามารถเกี่ยวข้องกับผลึกเดี่ยวด้วยสิ่งที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงจากผลึกเดี่ยวเป็นผลึกเดี่ยว (SCSC) สิ่งเหล่านี้ให้การสังเกตโดยตรงของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและความเข้าใจในรายละเอียดเชิงกลไก^{[ 46 ]}พฤติกรรมการสลับด้วยแสงนี้ยังได้รับการสังเกตในการวิจัยที่ล้ำสมัยเกี่ยวกับแม่เหล็กโมเลกุลเดี่ยวแลนทานัมโมโนนิวเคลียร์ที่ไม่ตอบสนองต่อแสงโดยเนื้อแท้ (SMM) ^{[ 47 ]}

ผลึกเดี่ยวที่ใช้ในเซมิคอนดักเตอร์ เลนส์ และเซรามิก มักจะต้องผ่านกระบวนการกลึงหรือตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ ปริซึม หรือชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงอื่นๆ เนื่องจากความแข็งและความเปราะของวัสดุเหล่านี้ จึงจำเป็นต้องใช้เทคนิคการตัดแบบพิเศษที่ช่วยลดความเสียหายใต้พื้นผิวและการสูญเสียจากการตัดให้น้อยที่สุด

การเลื่อยเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ID)เป็นวิธีการทั่วไป โดยใช้ใบมีดวงกลมบางๆ ที่ฝังด้วยสารขัดเพชรตัดผ่านผลึก วิธีนี้ให้ความแม่นยำของขนาดที่ดี แต่มีข้อจำกัดด้านความแข็งของใบมีดและความลึกในการตัดสูงสุด^{[ 48 ]}

การเลื่อยด้วยลวดหลายเส้นซึ่งใช้ลวดเพชรยาวที่เคลื่อนที่ไปมา กลายเป็นกระบวนการหลักสำหรับเวเฟอร์ซิลิคอนและแซฟไฟร์ ช่วยให้สามารถตัดเวเฟอร์หลายแผ่นพร้อมกันจากแท่งเดียวได้ แต่การเคลื่อนที่ไปมาอาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและการสึกหรอของลวด ส่งผลให้เกิดรอยบนพื้นผิวและแรงตึงที่แปรผันได้^{[ 49 ]}

การเลื่อยด้วยลวดเพชรแบบต่อเนื่อง (แบบวนลูป) เป็นวิธีการใหม่กว่า ลวดจะก่อตัวเป็นวงปิดต่อเนื่อง โดยทั่วไปมีความยาวหลายเมตร วิ่งไปในทิศทางเดียวด้วยความเร็วเชิงเส้นสูง (ประมาณ 60–80 เมตร/วินาที) เนื่องจากแรงตึงและการเคลื่อนที่ของลวดคงที่ กระบวนการนี้จึงสามารถสร้างพื้นผิวที่เรียบเนียนกว่า ความกว้างของร่องที่แคบกว่า และอายุการใช้งานของเครื่องมือที่ยาวนานกว่า มีการนำไปใช้ในการตัดวัสดุผลึกเดี่ยวที่แข็งและเปราะ เช่น ซิลิคอน แซฟไฟร์ และเซรามิกขั้นสูง^{[ 50 ]}

เทคนิคอื่นๆ เช่นการตัดด้วยเลเซอร์ การตัดเฉือน ด้วย คลื่น อัลตราโซนิคและการขัดเงาด้วยลำไอออนหรือกระบวนการทางเคมีเชิงกลถูกนำมาใช้ในขั้นตอนการตกแต่งหรือการผลิตระดับไมโคร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการคุณภาพพื้นผิวระดับออปติคอล

• แง่มุมทางวิศวกรรมของการตกผลึก
• การตกผลึกแบบเศษส่วน
• การเจริญเติบโตของฐานรองด้วยความร้อนจากเลเซอร์
• การดึงลงขนาดเล็ก
• การตกผลึกใหม่
• ผลึกเมล็ด

• เอกสาร "การตกผลึกของโมเลกุลขนาดเล็ก" ( PDF ) บนเว็บไซต์ของสถาบันเทคโนโลยีอิลลินอยส์