تک کریستال در حالت کلی به حالتی اطلاق می شود که ساختار ماده فقط از یک دانه تشکیل شده باشد، یعنی در اچ ماکروسکوپی آن مرز دانه وجود ندارد.برای بدست آوردن یك تك كریستال با كیفیت بالا لازم است كه تا حد امكان به صورت منطقه ای، رشد فصل مشترک به صورت صاف باشد، و از رشد سلولی و دندریتی جلوگیری شود. كه این امر با ایجاد گرادیان حرارتی بالا در مذاب و سرعت رشد پایین امكان پذیر است.

روشهای رشد تک کریستال
روش چکرالسکی
نگهدارنده هسته ومکانیزم کشیدن باید جهت گیری صحیح هسته را حفظ کنند. درحین کشیدن چرخش را داریم که به منظور توزیع حرارت مناسب تر و رشد متقارن صورت می گیرد. گرادیان حرارتی درمذاب به وسیله شکل بوته مقدارمذاب موجود، نوع کوره منبع حرارتی، محیط سرمایش ونگهدارنده هسته اندازه گیری می شود.
روش بریجمن-استوک برگر
بوته درون یک کوره که برای ایجاد یک گرادیان حرارتی خطی طراحی شده است قرار می گیرد و سپس کم کم سرد می شود. طراحی بوته به نحوی است که اگرچند جوانه اولیه داشتیم تنها یک جوانه کریستالی با کنار زدن بقیه جوانه ها بتواند باقی بماند. دراین روش باید گرادیان حرارتی بزرگ را به منظورتسهیل جوانه زنی اولیه داشته باشیم در غیر این صورت کریستال خیلی کوچک یا پلی کریستال نامرغوب را داریم.
روش ذوب منطقه ای
در اینجا با ایجاد یک ناحیه مذاب یک گرادیان حرارتی درفصل مشترک جامد/مایع به وجود می آوریم. یکی از مزایای عمده در این روش کنترل همزمان ناخالصی است.
توزیع ماده ی حل شده در روش ذوب منطقه ای
روش ناحیه شناور
دراین روش از بوته استفاده نمی شود و در نتیجه برای رشد مواد فعال مناسب است. مذاب به وسیله تنش های سطحی حفظ شده است.
اصلی ترین مزیت رشد کریستال به وسیله این روش قابلیت کاربرد برای با نقطه ذوب بالاست.
روش انجمادگرادیانی
روشی مشابه روش بریجمن افقی است. به وسیله انجماد گرادیانی یک شمش مذاب تولید تک کریستال می کند. دراین روش دمای کاری بسیار بالاتر از سایر روشهای رشد تک کریستال است.
اصول انجمادی تک کریستال
اصول انجمادی رشد تک کریستال
در جهت مشخص به کمک هسته اولیه (Seed)
انجماد لایه لایه اتمی
برای بدست آوردن یك تك كریستال با كیفیت بالا لازم است كه تا حد امكان به صورت منطقه ای، رشد فصل مشترک به صورت صاف باشد، و از رشد سلولی و دندریتی جلوگیری شود. كه این امر با ایجاد گرادیان حرارتی بالا در مذاب و سرعت رشد پایین امكان پذیر است. با این وجود تك كریستال هایی وجود دارند كه به صورت سلولی و دندریتی نیز رشد داده می شوند.
پایداری سطح
عوامل موثر در رشد تک کریستال ها
اثرگرادیان حرارتی
گرادیان حرارتی بالا باعث ایجاد تنش های حرارتی و دوقلویی در کریستال می گردد. گرادیان حرارتی بالا باعث تشکیل نابجایی می گردد و در نتیجه پلی کریستاله شدن را شاهد خواهیم بود. گرادیان حرارتی بالا باعث ایجاد توزیع دوار در بوته شده و نهایتا یک جریان ناآرام ایجاد می کند

حذف عیوب بوجود آمده در اثر گرادیان حرارتی بالا
برای حذف نابجایی ها و دوقلویی شدن از منابع گرمایی (Heater) در اطراف تک کریستال رشد داده شده استفاده می شود
برای جلوگیری از نوسانات دمایی در اثر جریان همرفتی مذاب از میدان مغناطیسی پایدار استفاده می شود
اثرترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی باید به گونه ای باشد که ناحیه خمیری (دوفازی) کوچک باشد. درسیستمMo-Hfبا افزایشHf سرعت رشد لازم برای حصول تک کریستال کاهش می یابد. در سیستم Mo-Nbدر مقادیر بالای۱۱%از Nbدرسرعت های رشد بالا نیز به تک کریستال می رسیم.
اثرترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی باید به گونه ای باشد که ناحیه خمیری (دوفازی) کوچک باشد. درسیستمMo-Hfبا افزایشHf سرعت رشد لازم برای حصول تک کریستال کاهش می یابد. در سیستم Mo-Nbدر مقادیر بالای۱۱%از Nbدرسرعت های رشد بالا نیز به تک کریستال می رسیم.
اثر هسته اولیه (Seed)
از هسته اولیه برای شروع انجماد تک کریستال استفاده می شود که برای انتخاب هسته پارامترهای زیر را باید در نظر داشت:
نزدیکی پارامتر شبکه هسته اولیه و جوانه درحال تشکیل برای حذف کرنش های احتمالی در حین رشد
جنس هسته
جهت کریستالوگرافی مناسب برای رشد
اثر هسته اولیه (Seed)
برای رشد تک کریستال PZNT از هسته های اولیه STO، PMNT و PZNT استفاده می شود ولی در استفاده از STO به دلیل جوانه زنی دانه های ریز جوانه های اولیه روی هسته اولیه رشد تک کریستال میسر نیست.
جوانه زنی دانه های معیوب
ذوب موضعی اولیه در هسته می تواند منشا دانه های معیوب درحین رشد مذاب ازهسته باشد که محل جوانه زنی آن درمحل تماس فلز با قالب است
این پدیده بیشتر در مورد رشد تک کریستال پره های توربین رخ می دهد
بااستفاده از Pigtail که یک انتخاب کننده است سعی می کنند فقط یک دانه در یک جهت خاص رشد پیدا کند
نحوه کار انتخاب کننده
اثرسرعت رشد
درحالت کلی سرعت رشد پایین زمینه را برای حصول فصل مشترک صفحه ای مهیا می نماید
با افزایش سرعت رشد فصل مشترک ازحالت صفحه ای به سلولی وسپس دندریتی تبدیل می شود
بعد از یک سرعت بحرانی فصل مشترک به پایداری قطعی می رسد
راهکار فوق می تواند مشکلات رایج درساخت سوپرآلیاژهای تک کریستال را به حداقل برساند
کاربرد تک کریستال ها
ساخت نیمه هادی ها و مواد پیزوالكتریك
ساخت پره های توربین های گازی وموتور جت از سوپر آلیاژهای Ni
ساخت تجهیزات اپتیكی مانند یاقوت های لیزرهای جامد
اغلب رشد تک کریستال ها با فصل مشترک صفحه ای صورت می گیرد که این شرایط معمولا با گرادیان حرارتی بالا و سرعت رشد پایین حاصل می شود
عوامل موثردرانجماد تک کریستال ها درحالت کلی :
گرادیان حرارتی
سرعت رشد
ترکیب شیمیایی
هسته اولیه