Pues ya os adelanto que crecer cristales es ¡todo un arte !.
Un poco de Historia..
A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes metodologías para la obtención de cristales. De todas las posibles en este documento nos centraremos en el crecimiento por el método del Czochralski. Cuya denominación proviene del profesor Jan Czochralski (1885-1953). Antes de entrar en detalles, me gustaría hablar un poco de este profesor. Jan no era un estudiante brillante y se le denegó entraren la carrera de química por expediente académico. Pero nunca perdió su pasión por los metales y la disciplina de la metalurgia. Este hecho, sumado a su trabajo le permitió sacarse el título como ingeniero químico por su cuenta, y desarrollar un nuevo método de crecimiento de monocristales que lleva su nombre. Este método fue fruto de la casualidad y observaciones de Czchoralski. Lo descubrió mientras se hallaba sumido en sus investigaciones. Tanto, que tenía una lata de material fundido al lado de sus notas. De tal manera, que se confundió y en vez de posar su bolígrafo en el tintero, lo sumergió en el crisol de material fundido. Al extraerlo rápidamente, noto que en el extremo de la punta del bolígrafo se había producido ¡una cristalización!.
Czochalski o “Chorralski” para los amigos
Con todo esto se puede definir sencillamente el método de Czochralski, como un método de producción de monocristales. Que consiste en insertar una semilla dentro de un crisol relleno de material fundido. Para posteriormente, tirar de la semilla lentamente hacía arriba con respecto a la superficie donde de encuentra el material fundido. Durante todo el proceso, junto con la velocidad de tiro también se aplica una rotación simultánea.
Muy bien que nombre tan raro, pero ¿para que quiero yo un monocristal realizado por Czchoralski?
Estos cristales han interesado a la humanidad desde tiempo remotos. Quizá el ejemplo por excelencia reside en el diamante o zafiro considerados una piedras preciosas de elevada dureza. En los últimos años, han despertado interés los cristales por sus propiedades no lineales. Porque permiten su implementación en nuestros dispositivos electrónicos tales como: (móviles, cámaras y ordenadores (próximamente ordenadores cuánticos)), dispositivos de luz (LED y Láseres) y detectores de radiación y partículas (como los usados en el LEC).

Más de 26,000 toneladas de cristales, en su mayoría semiconductores, se producen anualmente en todo el mundo (Scheel & Capper 2008, Sage Concepts 2008). Esto genera un ingreso directo de aproximadamente 256 mil millones de dólares y un tamaño de mercado cerca 1300 mil millones de dólares en dispositivos electrónicos (Huang 2008, Pettey & Stevens 2009). La mayoría de producción por Czochralski se destina a la obtención de silicio monocristalino. Debido a su menor coste de producción por su abundancia en materia prima (es arena simple de cuarzo, como la que encontramos en las playas). Aproximadamente el 95% de los silicios cristalinos son crecidos por le método de Czochralski (Zulehner 2000), ya que es un método muy fiable y de gran eficiencia. Sin embargo, la técnica del Czochralski posee ciertas dificultades técnicas. Para que se de el crecimiento se tiene que lograr la transferencia de flujos de masa y calor entre las diferentes fases la sólida y fundida, a través de la interfaz entre estas. Estas trasferencias influyen esencialmente en la cristalización. Y por lo tanto, en la distribución de dopantes y defectos de la red. Además tiene otro problema, cuando se intenta implementar en industria para grandes cantidades y diámetros. Los números de Reynolds y Rayleigh se hacen muy grandes y se entra en régimen turbulento. Estando dominado por fenómenos no lineales difíciles de controlar. Por todo lo presentado, las simulaciones numéricas se han vuelto muy populares a día de hoy. Permitiendo a los investigadores realizar predicciones de velocidad de crecimiento y temperatura, en sistemas tridimensionales dependientes del tiempo en un sistema de proceso crecimiento por Czochralski.
Pasito a pasito
El método de crecimiento de cristales se puede resumir en el cambio de un estado líquido desordenado a un sólido ordenado. Se podría decir que se va anti−natura, ya que la naturaleza tiende al desorden (según el enunciado de la segunda ley de la termodinámica, https://nusgrem.es/tres-leyes-termodinamica/).
Para poder iniciar y mantener el crecimiento. El sistema que contiene las diferentes fases (sólida y líquida) debe encontrase fuera del equilibrio mediante algún tipo de fuerza de conducción termodinámica. Ya sea la temperatura, la presión o el potencial químico.
Pasos que tienen lugar en el crecimiento de un cristal y que previamente han de ser simulados computacionalmente:


REFERENCIAS
[1] Qisheng Chen, Yanni Jiang, Junyi Yan, and Ming Qin. Progress in modeling of fluid flows in crystal growth processes. Progress in Natural Science, 18(12):1465–1473, 2008.
RECOMENDACIONES
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https://nusgrem.es/test-estructuras-cristalinas-cual-es-cual/
https://nusgrem.es/rayos-x-historia-y-aplicaciones/
https://nusgrem.es/tres-leyes-termodinamica/
AGRADECIMIENTOS
Quería agradecer este artículo a José Luis Plaza profesor de la UAM, por trasmitirme su pasión y conocimientos en esta disciplina de la física.