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小木蟲論壇-學術(shù)科研互動平臺 » 材料區(qū) » 晶體 » 基礎(chǔ)理論 » 材料科學之晶體生長方法
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材料科學之晶體生長方法 已有4人參與
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晶體生長方法 晶體是十分奇妙、美麗而又用途巨大的材料，而自然界中天然形成的晶體多含有大量的缺陷，從而影響到它的應(yīng)用。在實際中，人們往往采用先進的設(shè)備，設(shè)定晶體生長所需的溫度、氣氛和組分，通過嚴格控制的條件合成與培育出符合需要的高質(zhì)量人工晶體。 經(jīng)過晶體材料科學多年的發(fā)展，目前已有多種不同的晶體生長的理論，研究晶體生長的規(guī)律以及與環(huán)境之間的相互關(guān)系，同時，針對于各種各樣不同性質(zhì)的晶體材料，發(fā)展出許多不同的生長方式和生長技術(shù)。比如，早在19世紀，人們就已經(jīng)可以通過焰熔法生長紅寶石、白寶石等熔點高的晶體。 根據(jù)晶體生長時的物相變化，晶體生長技術(shù)可以分成以下幾類： （1）氣相－固相：如雪花的形成，煉丹術(shù)中丹砂的凝結(jié)。 （2）液相－固相：這里又可以分成兩類。一類是從溶液中通過降溫、蒸發(fā)、化學反應(yīng)等方式控制飽和度等使得晶體結(jié)晶；另一類是從熔體中結(jié)晶。后者基本原理是將晶體原料放入耐高溫坩堝中加熱熔化，然后在受控條件下通過降溫使熔體過冷卻，從而生長晶體。 （3）固相－固相：由于晶體的化學能較低，自然界中的非晶態(tài)、多晶態(tài)等物質(zhì)，經(jīng)過億萬年多少會有晶化現(xiàn)象，而晶體物質(zhì)也有可能通過相變、再結(jié)晶等方式發(fā)生變化。 1、常溫溶液法 從溶液中生長晶體的歷史最悠久，應(yīng)用也很廣泛。這種方法的基本原理是將原料(溶質(zhì))溶解在溶劑中，采取適當?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)，使晶體在其中生長。 溶液法具有以下優(yōu)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(fā)生不希望有的晶型轉(zhuǎn)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(tài)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）多數(shù)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(shù)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。 2、高溫溶液法 高溫溶液法是生長晶體的一種重要方法。高溫下從溶液或者熔融鹽溶劑中生長晶體，可以使溶質(zhì)相在遠低于其熔點的溫度下進行生長。 高溫溶液法與其他方法相比具有如下優(yōu)點： （1）適用性強，只要能找到適當?shù)闹蹌┗蛑蹌┙M合，就能生長出單晶。 （2）許多難熔化合物和在熔點極易揮發(fā)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(yōu)質(zhì)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��；多組分助熔劑相互污染。 該方法適用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。 籽晶降溫法 3、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最常用的和最重要的一種方法。電子學、光學等現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)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（砷化鎵）、LiNbO3（鈮酸鋰）、YAG（鐿鋁石榴石）、藍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(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。 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(yōu)點。 熔融法生長晶體有多種不同的方法和手段，如：提拉法、泡生法、坩堝下降法、區(qū)熔法、焰熔法等。生長的單晶不僅可做器件用，還可用于基礎(chǔ)理論研究。 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。該方法包含原料熔化和熔體凝固兩大步驟，熔體必須在受控的條件下的實現(xiàn)定向凝固，生長過程是通過固液界面的移動來完成的。 4、氣相法 氣相法生長晶體是將擬生長的晶體材料通過升華、蒸發(fā)、分解等過程轉(zhuǎn)化為氣相，然后通過適當條件下使它成為飽和蒸氣，經(jīng)冷凝結(jié)晶而生長成晶體。 氣相法晶體生長的特點是： （1）生長的晶體純度高； （2）生長的晶體完整性好； （3）晶體生長速度慢； （4）有不少難以控制的因素，如溫度梯度、過飽和比、攜帶氣體的流速等。 目前，氣相法主要用于晶須生長和外延薄膜的生長（同質(zhì)外延和異質(zhì)外延），而生長大尺寸的塊狀晶體有其不利之處。 氣相法主要可以分為兩種： （1）物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）：用物理凝聚的方法將多晶原料經(jīng)過氣相轉(zhuǎn)化為單晶體，如升華/凝結(jié)法、分子束外延法和陰極濺射法等； （2）化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）：通過化學過程將多晶原料經(jīng)過氣相轉(zhuǎn)化為單晶體，如化學傳輸法、氣體分解法、氣體合成法和MOCVD法等。 |
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2樓2014-11-25 13:53:13
cheertomato
新蟲 (初入文壇)
- 應(yīng)助: 0 (幼兒園)
- 金幣: 16.8
- 帖子: 12
- 在線: 2小時
- 蟲號: 3543640
- 注冊: 2014-11-18
- 專業(yè): 傳熱傳質(zhì)學
3樓2014-11-25 14:28:02
4樓2015-09-20 11:23:12
剖析晶體方面原理很透徹、全面！謝謝總結(jié)與分享 5樓2015-12-09 14:15:34
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