Monocristal de quartz de synthèse

Monocristal de silicium

Un monocristal ou matériau monocristallin est un matériau solide constitué d'un seul et unique cristal, par opposition avec un polycristal ou matériau polycristallin, constitué lui d'une multitude de petits cristaux de taille et d'orientation variées.

De façon exceptionnelle, on peut en trouver dans la nature, pour le béryl, le quartz, le gypse; la mine de Naica (Mexique) comporte des monocristaux de gypse atteignant treize mètres .

Les pierres précieuses, et certaines autres gemmes, sont des minéraux monocristallins taillés par clivage.

Propriétés et applications

Les propriétés de la matière cristalline dépendent des motifs du cristal (atome, assemblages d'ions, oxyde, molécules), de leur organisation (nature du réseau cristallin), et des défauts. Parmi ces défauts, la présence de joints de grains — frontière entre les cristaux au sein de la matière — joue un rôle important. Un monocristal a donc des propriétés qui peuvent être notablement différentes des polycristaux :

de manière générale, un monocristal a des propriétés anisotropes, alors qu'un polycristal peut être plus ou moins isotrope (si l'orientation des cristaux est aléatoire, il y a un effet de moyennage directionnel) ;

les monocristaux sont souvent utilisé pour étudier les propriétés de la matière en faisant abstraction des joints de grain, ou bien pour voir l'influence de l'orientation cristalline ; les monocristaux sont donc en ce sens un modèle simplifié de la matière polycristalline ;

propriétés optiques : un monocristal, si ses faces sont lisses et s'il est transparent, va donner de la réflexion spéculaire et de la réfraction parfaite (donc pas diffuses), et l'on pourra constater dans certains cas des phénomènes de biréfringence ; les propriétés optiques sont recherchées pour l'esthétique (cas des gemmes), mais aussi pour certaines applications technologiques (lame à retard par exemple) ;

chimie-chimiques : diffusion chimique : les joints de grain constituent des courts-circuits de diffusion, la diffusion dans un polycristal est donc plus rapide que dans un monocristal, réactivité : la structure des joints de grains est différente de celle du cœur du cristal, les joints de grains sont en général plus réactif, par exemple dans le cas de la corrosion (corrosion intergranulaire) :

diffusion chimique : les joints de grain constituent des courts-circuits de diffusion, la diffusion dans un polycristal est donc plus rapide que dans un monocristal,

réactivité : la structure des joints de grains est différente de celle du cœur du cristal, les joints de grains sont en général plus réactif, par exemple dans le cas de la corrosion (corrosion intergranulaire) :

mécanique : certains modes de fluage font intervenir les joints de grains, les monocristaux résistent en général mieux aux hautes températures ; par exemple, certaines aubes de turbine de moteurs d'avion sont des monocristaux ; la déformation plastique se fait par des glissement de plans cristallographiques denses selon des directions denses, définissant des systèmes de glissement ; la capacité à se déformer plastiquement dépend donc de l'orientation du monocristal par rapport à la sollicitation ; par ailleurs, les joints de grains gênent le déplacement des dislocations, et donc les polycristaux ont souvent une limite d'élasticité supérieure aux monocristaux selon l'orientation de ces derniers (loi de Hall-Petch) ;

certains modes de fluage font intervenir les joints de grains, les monocristaux résistent en général mieux aux hautes températures ; par exemple, certaines aubes de turbine de moteurs d'avion sont des monocristaux ;

la déformation plastique se fait par des glissement de plans cristallographiques denses selon des directions denses, définissant des systèmes de glissement ; la capacité à se déformer plastiquement dépend donc de l'orientation du monocristal par rapport à la sollicitation ; par ailleurs, les joints de grains gênent le déplacement des dislocations, et donc les polycristaux ont souvent une limite d'élasticité supérieure aux monocristaux selon l'orientation de ces derniers (loi de Hall-Petch) ;

électronique : la microélectronique utilise des propriétés des semi-conducteurs telles que la création de paires électron libre-trou d'électron, la diffusion de ces défauts et leur recombinaison ; ces phénomènes sont influencés de manière importante par les joints de grains, on s'attache donc à avoir des composants monocristallins.

一块通过水热合成法得到的水晶单晶

单晶是指其内部微粒有规律地排列在一个空间格子内的晶体。其晶体结构是连续的，或者可以说，在宏观尺度范围内单晶不包含晶界。

与单晶相对的，是众多微晶（Crystallite）组成的多晶（Polycrystal）。

单晶材料是一种应用日益广泛的新材料，由单独的一个晶体组成，其衍射花样为规则的点阵。相对普通的多晶体材料性能特殊，一般采用提拉法制备。

单晶根据晶体生长法制作分为：

借由柴克劳司基法（Czochralski）：将复晶晶体提炼成对称的、有规律的、成几何型的单晶晶格结构。

浮区法（Floating zone）：可将低纯度硅晶体提炼成对称的、有规律的、成几何型的单晶晶格结构。（浮区硅）