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單晶材料的生長方法

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單晶材料的生長方法

發布日期:2018-02-22 00:00 來源:http://www.fjulhl.icu 點擊:

1起源

  單晶是由單個晶體構成的材料,單晶在自然界存在,如金剛石晶體等,也可由人工制成,如鍺和硅單晶等。單晶是由一個晶核長成的,其所有晶胞均呈相同的位向,因而具有各向異性。


2制備

  單晶材料的制備是將物質的非晶態、多晶態或能夠形成該物質的反應物通過一定的物理或化學手段轉變成單晶狀態的過程。

  生長塊狀單晶材料有熔體法、常溫溶液法、高溫溶液法及其它相關方法。


熔融法

  從熔體中生長晶體是制備大單晶和特定形狀的單晶常用的和重要的一種方法,電子學、光學等現代技術應用中所需要的單晶材料,大部分是用熔體生長方法制備的,如單晶硅,GaAs(氮化鎵),LiNbO3(鈮酸鋰),Nd:YAG(摻釹的鐿鋁石榴石),Al2O3(白寶石)等以及某些堿土金屬和堿土金屬的鹵族化合物等,許多晶體品種早已開始進行不同規模的工業生產。與其他方法相比,熔體生長通常具有生長快、晶體的純度和完整性高等優點。

  熔融法生長晶體的簡單原理是將生長晶體的原料熔化,在一定條件下使之凝固,變成單晶。這里包含原料熔化和熔體凝固兩大步驟,熔體須在受控制的條件下的實現定向凝固,生長過程是通過固-液界面的移動來完成的。

  要使熔體中晶體生長,須使體系的溫度低于平衡溫度。體系溫度低于平衡溫度的狀態成為過冷。的絕對值為過冷度,表示體系過冷程度的大小。過冷度是熔體法晶體生長的驅動力。

  晶體生長速度f與晶體溫度梯度和熔體溫度T梯度的關系:

  對于一定的結晶物質,過冷度一定時決定晶體生長速率的主要因素是晶體與熔體溫度梯度的相對大小。


常溫溶液法

  從溶液中生長晶體的歷史悠久,應用也很廣泛。這種方法的基本原理是將原料(溶質)溶解在溶劑中,采取適當的措施造成溶液的過飽和狀態,使晶體在其中生長。


溶液法具有以下優點:

  1.晶體可在遠低于其熔點的溫度下生長。有許多晶體不到熔點就分解或發生不希望有的晶型轉變,有的在熔化時有很高的蒸汽壓,溶液使這些晶體可以在較低的溫度下生長,從而避免了上述問題。此外,在低溫下使晶體生長的熱源和生長容器也較容易選擇。

  2.降低粘度。有些晶體在熔化狀態時粘度很大,冷卻時不能形成晶體而成為玻璃體,溶液法采用低粘度的溶劑則可避免這一問題。

  3.容易長成大塊的、均勻性良好的晶體,并且有較完整的外形。

  4.在多數情況下,可直接觀察晶體生長過程,便于對晶體生長動力學的研究。


溶液法的缺點是組分多,影響晶體生長因素比較復雜,生長速度慢,周期長(一般需要數十天乃至一年以上)。另外,溶液法生長晶體對控溫精度要求較高。

  溶液法晶體生長的必要條件:溶液的濃度大于該溫度下的平衡濃度即過飽和度。驅動力為過飽和度。


高溫溶液法

  高溫溶液法是生長晶體的一種重要方法,也是早的煉丹術所采用的手段之一。高溫下從溶液或者熔融鹽溶劑中生長晶體,可以使溶質相在遠低于其熔點的溫度下進行生長。此法與其他方法相比具有如下優點:


  1.適用性強,只要能找到適當的助熔劑或助熔劑組合,就能生長出單晶。

  2.許多難熔化合物和在熔點極易揮發或高溫時變價或有相變的材料,以及非同成分熔融化合物,都不能直接從熔體中生長或不能生長完整的優單晶,助熔劑法由于生長溫度低,顯示出獨特能力。

  熔鹽法制備晶體的缺點:晶體生長速度慢;不易觀察;助熔劑常常有毒;晶體尺寸小;多組分助熔劑相互污染。

  該方法適宜于以下幾種材料的制備:(1)高熔點材料;(2)低溫下存在相變的材料;(3)組分中存在高蒸氣壓的成分。

  基本原理:高溫溶液法是結晶物質在高溫條件下溶于適當的助熔劑中形成溶液,其基本原理與常溫溶液法相同。但助熔劑的選擇和溶液相關系的確定是高溫溶液法晶體生長的先決條件。



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