材料的制備方法單晶材料

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1、第四章單晶材料的制備站長(zhǎng)素材SC.CHINAZ.COM2單晶材料的發(fā)展與概述固相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)常用單晶材料的制備方法123434.1.1晶體學(xué)的發(fā)展天然晶體——石英50萬(wàn)年以前，藍(lán)田猿人和北京猿人使用的工具——石英早在南北朝，陶弘景就指出它“六面如削”的形狀宋代杜綰的《云林石譜》也說(shuō)“其質(zhì)六棱”4人造晶體出現(xiàn)也很早——食鹽《演繁露》中記載有：“鹽已成鹵水，暴烈日中，即成方印，潔白可愛(ài)，初小漸大，或數(shù)十印累累相連?！边@實(shí)際上就是從過(guò)飽和溶液中生長(zhǎng)晶體的方法?！堆莘甭丁窞樗未檀蟛蓵?shū)

2、于1000多年以前。5銀朱——人造辰砂的制造李時(shí)珍引用胡演的《藥丹秘訣》說(shuō)：“升煉銀朱，用石亭脂二斤，新鍋內(nèi)熔化。次下水銀一斤，炒作青砂頭。炒不見(jiàn)星，研末罐盛，石版蓋住，鐵線縛定，鹽泥固濟(jì)，大火鍛之，待冷取出。貼罐者為銀朱，貼口者為丹砂?！边@實(shí)際上是汞和硫通過(guò)化學(xué)氣相沉積而形成辰砂的過(guò)程，稱為“升煉”。我們現(xiàn)在生長(zhǎng)砷化鎵一類的光電晶體，基本上還在用“升煉”的方法，實(shí)際上這種方法在煉丹術(shù)時(shí)代就已經(jīng)開(kāi)始使用了。6國(guó)際上——結(jié)晶學(xué)萌芽于17世紀(jì)丹麥學(xué)者晶面角守恒定律晶體生長(zhǎng)大部分工作室從20世紀(jì)初期才開(kāi)始的1902年焰熔法

3、1905年水熱法1917年提拉法1952年P(guān)fann發(fā)展了區(qū)熔技術(shù)1949年，英國(guó)法拉第學(xué)會(huì)舉行了第一次關(guān)于晶體生長(zhǎng)的國(guó)際討論會(huì)，為以后晶體生長(zhǎng)的理論奠定了基礎(chǔ)。晶體生長(zhǎng)的理論發(fā)展，特別是伯頓等人提出的理論，推動(dòng)了晶體理論的向前發(fā)展。7我國(guó)——現(xiàn)代人工晶體材料的研究開(kāi)創(chuàng)于上世紀(jì)50年代中期領(lǐng)域的研究從無(wú)到有，從零星的實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，進(jìn)展相當(dāng)迅速?，F(xiàn)在我國(guó)的人工水晶，人造金剛石已成為一個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。BGO、KTP、KN、BaTiO3和各類寶石晶體均已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)BBO、LBO、LAP等晶體也已經(jīng)達(dá)到了國(guó)

4、際水平。我國(guó)每三年召開(kāi)一次全國(guó)人工晶體生長(zhǎng)學(xué)術(shù)交流會(huì)，就晶體生長(zhǎng)理論與技術(shù)，新材料晶體的研制，進(jìn)行廣泛的學(xué)術(shù)交流。8單晶體的基本性質(zhì)（1）均勻性（2）各向異性（3）自限性（4）對(duì)稱性（5）最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性4.1.2單晶體概述94.1.3單晶材料制備方法1.制備方法的選擇——取決于晶體物質(zhì)的性質(zhì)2.晶體生長(zhǎng)類型3.常用單晶生長(zhǎng)方法單組分結(jié)晶多組分結(jié)晶固相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)氣相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)104.2固相—固相平衡的晶體生長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)溫度低；晶體形狀可預(yù)先固定。缺點(diǎn)：難以控制成核以形成

5、大晶粒。114.3.1基本理論4.3.2定向凝固技術(shù)4.3.3提拉法4.3.4泡生法4.3.5區(qū)域熔化技術(shù)4.3液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)12從熔體中生長(zhǎng)單晶的最大優(yōu)點(diǎn)在于：熔體生長(zhǎng)速率大多快于溶液生長(zhǎng)、晶體的純度和完整性高134.3.1基本理論1.晶體生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力——過(guò)冷度冷卻速度↑，過(guò)冷度↑，晶體生長(zhǎng)速度↑冷卻速度↓，過(guò)冷度↓，晶體生長(zhǎng)速度↓142.形核理論晶體生長(zhǎng)可以分為成核和長(zhǎng)大兩個(gè)階段。成核過(guò)程主要考慮熱力學(xué)條件。長(zhǎng)大過(guò)程則主要考慮動(dòng)力學(xué)條件。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，新相核的發(fā)生和長(zhǎng)大稱為成核過(guò)程。成核過(guò)程可分為均勻

6、成核和非均勻成核。15均勻成核：所謂的均勻成核，是指在一個(gè)熱力學(xué)體系內(nèi)，各處的成核幾率相等。由于熱力學(xué)體系的漲落現(xiàn)象，在某個(gè)瞬間，體系中某個(gè)局部區(qū)域偏離平衡態(tài)，出現(xiàn)密度漲落，這時(shí)，這個(gè)小局部區(qū)域中的原子或分子可能一時(shí)聚集起來(lái)成為新相的原子集團(tuán)（稱為胚芽）。這些胚芽在另一個(gè)瞬間可能又解體成為原始態(tài)的原子或分子。但某些滿足一定條件的胚芽可能成為晶體生長(zhǎng)的核心。如果這時(shí)有相變驅(qū)動(dòng)力的作用，這些胚芽可以發(fā)展成為新的相核，進(jìn)而生長(zhǎng)成為晶體。晶核的形成存在一個(gè)臨界半徑，當(dāng)晶核半徑小于此半徑時(shí)，晶核趨于消失，只有當(dāng)其半徑大于此半徑

7、時(shí)，晶核才穩(wěn)定地長(zhǎng)大。16非均勻成核：所謂非均勻成核，是指體系在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)，容器壁或原有晶體表面上形成的核。在此類體系中，成核幾率在空間各點(diǎn)不同。自然界中的雨雪冰雹等的形成都屬于非均勻成核。實(shí)際上，在所有物質(zhì)體系中都會(huì)發(fā)生非均勻成核。有目的地利用體系的非均勻成核，可以達(dá)到特殊的效果和作用。17溫度梯度分布對(duì)晶體生長(zhǎng)方式的影響在正的溫度梯度下，固液界面前沿液體幾乎沒(méi)有過(guò)冷，固液界面以平面方式向前推進(jìn)，即晶體以平面方式向前生長(zhǎng)。在負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體強(qiáng)烈過(guò)冷，晶體以樹(shù)枝晶方式生長(zhǎng)。3.晶體長(zhǎng)大18在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中

8、，當(dāng)不存在成分過(guò)冷時(shí)，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也會(huì)由于過(guò)熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。而當(dāng)界面前沿存在成分過(guò)冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會(huì)因?yàn)樘幱谶^(guò)冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導(dǎo)致樹(shù)枝晶的形成。194.熔體生長(zhǎng)過(guò)程的特點(diǎn):（1）通常，當(dāng)一個(gè)結(jié)晶固體的溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，固體就熔化為熔體；當(dāng)熔體的溫度低于凝固點(diǎn)