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单晶材料的生长方法

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单晶材料的生长方法

发布日期:2018-02-22 00:00 来源:http://www.ddxdf.com 点击:

1起源

  单晶是由单个晶体构成的材料,单晶在自然界存在,如金刚石晶体等,也可由人工制成,如锗和硅单晶等。单晶是由一个晶核长成的,其所有晶胞均呈相同的位向,因而具有各向异性。


2制备

  单晶材料的制备是将物质的非晶态、多晶态或能够形成该物质的反应物通过一定的物理或化学手段转变成单晶状态的过程。

  生长块状单晶材料有熔体法、常温溶液法、高温溶液法及其它相关方法。


熔融法

  从熔体中生长晶体是制备大单晶和特定形状的单晶常用的和重要的一种方法,电子学、光学等现代技术应用中所需要的单晶材料,大部分是用熔体生长方法制备的,如单晶硅,GaAs(氮化镓),LiNbO3(铌酸锂),Nd:YAG(掺钕的镱铝石榴石),Al2O3(白宝石)等以及某些碱土金属和碱土金属的卤族化合物等,许多晶体品种早已开始进行不同规模的工业生产。与其他方法相比,熔体生长通常具有生长快、晶体的纯度和完整性高等优点。

  熔融法生长晶体的简单原理是将生长晶体的原料熔化,在一定条件下使之凝固,变成单晶。这里包含原料熔化和熔体凝固两大步骤,熔体须在受控制的条件下的实现定向凝固,生长过程是通过固-液界面的移动来完成的。

  要使熔体中晶体生长,须使体系的温度低于平衡温度。体系温度低于平衡温度的状态成为过冷。的绝对值为过冷度,表示体系过冷程度的大小。过冷度是熔体法晶体生长的驱动力。

  晶体生长速度f与晶体温度梯度和熔体温度T梯度的关系:

  对于一定的结晶物质,过冷度一定时决定晶体生长速率的主要因素是晶体与熔体温度梯度的相对大小。


常温溶液法

  从溶液中生长晶体的历史悠久,应用也很广泛。这种方法的基本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中,采取适当的措施造成溶液的过饱和状态,使晶体在其中生长。


溶液法具有以下优点:

  1.晶体可在远低于其熔点的温度下生长。有许多晶体不到熔点就分解或发生不希望有的晶型转变,有的在熔化时有很高的蒸汽压,溶液使这些晶体可以在较低的温度下生长,从而避免了上述问题。此外,在低温下使晶体生长的热源和生长容器也较容易选择。

  2.降低粘度。有些晶体在熔化状态时粘度很大,冷却时不能形成晶体而成为玻璃体,溶液法采用低粘度的溶剂则可避免这一问题。

  3.容易长成大块的、均匀性良好的晶体,并且有较完整的外形。

  4.在多数情况下,可直接观察晶体生长过程,便于对晶体生长动力学的研究。


溶液法的缺点是组分多,影响晶体生长因素比较复杂,生长速度慢,周期长(一般需要数十天乃至一年以上)。另外,溶液法生长晶体对控温精度要求较高。

  溶液法晶体生长的必要条件:溶液的浓度大于该温度下的平衡浓度即过饱和度。驱动力为过饱和度。


高温溶液法

  高温溶液法是生长晶体的一种重要方法,也是早的炼丹术所采用的手段之一。高温下从溶液或者熔融盐溶剂中生长晶体,可以使溶质相在远低于其熔点的温度下进行生长。此法与其他方法相比具有如下优点:


  1.适用性强,只要能找到适当的助熔剂或助熔剂组合,就能生长出单晶。

  2.许多难熔化合物和在熔点极易挥发或高温时变价或有相变的材料,以及非同成分熔融化合物,都不能直接从熔体中生长或不能生长完整的优单晶,助熔剂法由于生长温度低,显示出独特能力。

  熔盐法制备晶体的缺点:晶体生长速度慢;不易观察;助熔剂常常有毒;晶体尺寸小;多组分助熔剂相互污染。

  该方法适宜于以下几种材料的制备:(1)高熔点材料;(2)低温下存在相变的材料;(3)组分中存在高蒸气压的成分。

  基本原理:高温溶液法是结晶物质在高温条件下溶于适当的助熔剂中形成溶液,其基本原理与常温溶液法相同。但助熔剂的选择和溶液相关系的确定是高温溶液法晶体生长的先决条件。



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