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❒ 固體材料的結晶性質
＜圖一＞為固體材料真實的原子排列情形，可以分成單晶(Single crystal)、多晶(Polycrystal)、非晶(Amorphous)等三種，其中單晶又分為簡單立方(SC)、體心立方(BCC)、面心立方(FCC)、鑽石結構(DIA)以及許多其他結晶構造。

圖一　固體材料的原子排列方式與實例。

❒ 單晶(Single crystal)
如果整塊固體材料都形成結晶，則稱為「單晶(Single crystal)」。如＜圖二＞所示，可以將圖中的圓形想像成原子，我們將立體的原子排列簡化成平面的圓形來表示，由圖中可以看出整塊固體中的每一個原子都排列得很整齊。知識力www.ansforce.com。

圖二　單晶：每一個原子都排列得很整齊。

資料來源：www.saswafer.com。

在科技產業的應用上，常常使用人工成長的矽晶圓(矽單晶)或砷化鎵晶圓(砷化鎵單晶)來製作產品，主要是因為單晶固體原子排列得很整齊，因此電子流過單晶固體比較容易，亦即導電性較好，使得元件的運算速度較快，就好像操場上的學生們(原子)排列得很整齊，老師(電子)要由司令台走到操場後面比較容易一樣。此外，單晶固體的硬度高、品質好，具有所有固體材料的優點，唯一的缺點就是製作不易，價格極高，我們後面再來介紹它的製作方法。

在自然界中的固體材料要「整塊」形成結晶極為困難，因此碳在自然的情況下都是石墨而非鑽石，只有埋藏在很深的地底(高溫)，並且受到地殼擠壓(高壓)的嚴苛條件下才會形成鑽石結構，要滿足這些條件的機率不高，因此大自然的鑽石產量很少價格昂貴。如果要以人造的方式對碳固體施加高溫高壓，使碳原子排列成鑽石結構結晶，則可以成長出品質較差的人造鑽石。鑽石是目前地球上已知硬度最高的物質，因此工業上常利用人造鑽石來進行切割(例如：鑽石刀)或研磨(例如：鑽石砂紙)。「鑽石刀」是在刀具的表面成長一層鑽石薄膜，利用鑽石薄膜硬度高的優點可以輕易地切割其他材料；「鑽石砂紙」是將人工方式成長出來的鑽石粉末混合強力膠(環氧樹脂)塗佈在紙張上，可以用來研磨使材料厚度變薄或表面光滑，這種加工技術稱為「研磨(Milling)」或「抛光(Polishing)」，關於抛光的原理將在後面詳細介紹。
 

一般我們常聽到的「寶石(Stone)」或「水晶(Crystal)」指的就是單晶，由於不同原子排列而成的單晶會有不同的顏色，因此通常會以其顏色來命名，例如：「藍寶石(Sapphire)」是氧化鋁(Al2O3)的單晶，「石英(Quartz)」是二氧化矽(SiO2)的單晶，所以下次再聽到別人說寶石或水晶時別忘了問問，他指的是什麼材料(那些原子)排列形成的單晶？

【範例】鑽石的製造
如果你(妳)是一位工程師，老板拿了一堆碳粉(石墨的粉末)給你，要你設計一個反應器將這些碳粉變成鑽石，你(妳)要如何設計這個反應器呢？
〔解〕
要讓碳粉變成鑽石就是要讓碳原子排列成鑽石結構結晶，天然的鑽石是埋藏在很深的地底(高溫)，並且受到地殼擠壓(高壓)下產生的，所以反應器只要能夠產生高溫與高壓就可以了。方法很簡單──用炸的(PS：極度危險請勿嘗試)，拿一個夠堅固的容器將碳粉放入，再將炸彈放入，將容器密封後引爆炸彈就可以產生高溫與高壓，這就是鑽石製造的概念，怎麼樣，你(妳)應該也想到了吧！當工程師好像也沒有那麼困難嘛！不過這裡說的只是人造鑽石的製造「概念」而已，實際的製造流程與反應器設計比較複雜，在此不再討論。
 

❒ 多晶(Poly crystal)

如果整塊固體材料的局部區域(大約數百奈米)形成結晶，則稱為「多晶(Poly crystal)」。如＜圖三＞所示，由圖中可以看出整塊固體中只有局部區域的原子排列得很整齊，這些「局部區域」的大小約在數百奈米(nm)左右，而且不同的區域之間原子排列的方向不同，會形成「晶界(Grain boundary)」，但是整塊固體材料的原子排列看起來其實是有點混亂的。知識力www.ansforce.com。

圖三　多晶：只有局部區域原子排列得很整齊。

資料來源：www.saswafer.com。

在科技產業的應用上，多晶的半導體材料由於導電性較差，因此較少使用，除非是萬不得已，實在是做不出單晶或是使用單晶製作太昂貴時才會使用。例如：積體電路(IC)的閘極目前大多使用多晶矽(Poly silicon)來製作；在液晶顯示器上有一種最新的技術稱為「低溫多晶矽(LTPS：Low Temperature Poly Silicon)」，就是因為在玻璃基板上長不出單晶矽所以不得已才使用多晶矽；太陽電池由於需要大面積的矽來照射太陽光，使用單晶矽價格太高，所以可以使用多晶矽；此外，多晶的金屬材料我們經常使用，因為金屬的導電性已經非常好了，不需要單晶就可以導電。

值得一提的是，在自然界中的固體材料大多是以多晶的形式存在，例如：礦場裡挖出來的矽或其他金屬都是屬於多晶固體，這大概和人類的世界很相似吧！人類天生喜歡搞小團體，如果我們將一萬個學生集合在操場上卻不管他們，沒有人命令他們排列整齊，他們肯定會各個班級的同學圍在一起「有點整齊」地聊天，從司令台上看下去，肯定會是「局部區域」排列得很整齊，怎麼樣，看起來大自然物質的行為與人類的世界還真是有點類似呢！知識力www.ansforce.com。

❒ 非晶(Amorphous)
如果整塊固體材料都沒有形成任何結晶，則稱為「非晶(Amorphous)」。如＜圖四＞所示，由圖中可以看出整塊固體中的原子都排列得很混亂，沒有任何規則，因為也沒有「晶界(Grain boundary)」存在。

圖四　非晶：每一個原子都排列得很混亂。

資料來源：ozz13x on Flickr CC BY SA 2.0 、Steven Depolo on Flickr CC BY SA 2.0。

在科技產業的應用上，非晶材料由於導電性較差，因此較少使用。但是固體材料有許多是以非晶的形式存在，例如：玻璃、塑膠或最近有公司開發出一種非晶的金屬材料稱為「液態金屬(Liquid metal)」或「金屬玻璃(Metallic crystal)」都是屬於非晶固體。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。
 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞