单晶材料的制备教程.pptVIP

* 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。 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质单晶，助熔剂法由于生长温度低，显示出独特能力。 设备简单。此方法中助熔剂的选择是个关键，要求它不与生长晶体的原料起化学反应。 优点： 加入助熔剂，降低熔融温度，而在较低温度上生长的层状晶体的点缺陷浓度和位错密度都较低，化学计量和掺质均匀性较好，因而在结晶学上比熔体法生长的晶体更为优良。 * 助溶剂的选择： 1. 有足够大的溶解度，一般应为10~50wt%，同时在生长温度范围内，还应有适度的溶解度的温度系数； 2. 所生成的晶体是唯一稳定的物相（不反应），助溶剂与参与结晶的成分最好不要形成多种稳定的化合物； 3. 固溶度应尽可能小，尽可能选用同离子的助溶剂； 4. 小粘滞性，使扩散速率↑，反应速率↑，完整性↑； 5. 低熔点，高沸点，才有较高的生长温度； * 6. 很小的挥发性、腐蚀性和毒性，避免对人体、坩埚和环境造成损害和污染； 7. 易溶于对晶体无腐蚀作用的液体溶剂中，如水、酸或碱性溶液等，以便于生长结束时晶体与母液的分离； 8. 很难找到一种能同时满足上述条件要求的助溶剂。在实际使用中，一般采用复合助溶剂来尽量满足这些要求。 * 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。 缺点： 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。 * 1. 缓冷法 在靠自发成核的缓冷生长中，减少晶核数的有效方法有温度震荡法，局部过冷技术 在有条件时，最好采用引入籽晶的方法，以实现真正的单核生长，克服通常缓冷法不宜生长达单晶的不足。 过饱和度的产生和控制，成核数的控制或籽晶的引入，是生长晶体的两大关键。 缓冷法晶体生长装置示意图 缓冷法是在高温下，在晶体材料全部熔融于助熔剂中之后，缓慢地 降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。 * 将配制好的出发物质装入坩锅中，一般不要装得太满，以不超过坩锅体积的3／4为好。 为防止在高温下熔剂蒸发，可将坩锅密封或加盖。装好料后立即将它放火炉内升温。应设法使坩锅底部温度比顶部低几度至十几度，以使得溶质有优先在底部成核的倾向。 首先应将炉温升至熔点以上十几度至100℃，并保温几个小时到1d左右，让料充分反应、均化。保温时间应视助熔剂溶解能力和挥发特性而定。 为节省时间，迅速降温至熔点（饱和温度），最好是成核温度。 工艺过程： * 但是成核温度既不易测量，又很不稳定，其值常常与材料的纯度等因素有关。因此，成核温度应估计得偏高一些，继之，再行缓慢降温，降温速率一般在（0.1～5） ℃／h。 用这种方法生长的物质的溶解度系数最好不低于 1.5g／（1000g溶液·℃）。 * 2. 水热法 水热法晶体生长装置示意图 水热法又称高压溶液法，是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件 下不溶或难溶于水的物质通过溶解或反应生成该物质的溶解产物，并 达到一定的过饱和度而进行结晶和生长的方法。 水热法生长过程的特点： 过程是在压力与气氛可以控制的封闭系统中进行的； 生长温度比熔融法和熔盐法低很多； 生长区基本处于恒温和等浓度状态，温度梯度小； 属于稀薄相生长，溶液黏度低。 * 优点： 生长熔点很高、具有包晶反应或非同成分熔化而在常温常压下又不溶解或者溶解后易分解且不能再次结晶的晶体材料。 生长那些熔化前后会分解、熔体蒸汽压较大、高温易升华或者只有在特殊气氛才能稳定的晶体。 晶体热应力小、宏观缺陷少、均匀性和纯度高。 缺点： 理论模拟与分析困难，重现性差； 装置的要求高； 难于实时观察； 参量调节困难。 * 4.6 气-固相平衡生长晶体 所谓气相法生长晶体，就是将拟生长的晶体材料通过升华、蒸发、分解等过程转化为气相，然后通过适当条件下使它成为饱和蒸气，经冷凝结晶而生长成晶体。 目前，气相法主要用于晶须生长和外延薄膜的生长（同质外延和异质外延），而生长大尺寸的块状晶体有其不利之处。 * 气相法晶体生长的特点是： 生长的晶体纯度高； 生长的晶体完整性好； 晶体生长速度慢； 有一系列难以控制的因素，如温度梯度、过饱和比、携带气体的流速等。 * 物理气相沉积 用物理凝聚的方法将多晶原料经过气相转化为单晶体，如升华-凝结法、分子束外延法和阴极溅射法； 气相法可 分为两种 化学气相沉积 通过化学过程将多晶原料经过气相转化为单晶体，如化学传输法、气体分解法、气体合成法和MOCVD法等。 * 1. 升华法 升华法晶体生长装置示意图 所谓升华法，是在高温区将材料升华， 然后输送到冷凝区使其成为饱和蒸