單晶材料及其制備.doc

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1、單晶材料及其制備摘要：?jiǎn)尉?singlecrystal)，即結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說(shuō)晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長(zhǎng)程有序。單晶整個(gè)晶格是連續(xù)的，具有重要的工業(yè)應(yīng)用。本文主要對(duì)單晶材料制備的幾種常見(jiàn)的方法進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Р牧现苽?.單晶材料單晶(singlecrystal)，即結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說(shuō)晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長(zhǎng)程有序。單晶是由結(jié)構(gòu)基元（原子，原子團(tuán)，離子），在三維空

2、間內(nèi)按長(zhǎng)程有序排列而成的固態(tài)物質(zhì)。如水晶，金剛石，寶石等。單向有序排列決定了它具有以下特征：均勻性、各向異性、自限性、對(duì)稱(chēng)性、最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性。單晶材料是一種應(yīng)用日益廣泛的新材料，由單獨(dú)的一個(gè)晶體組成，其衍射花樣為規(guī)則的點(diǎn)陣。2.單晶材料的制備單晶材料的制備也稱(chēng)為晶體的生長(zhǎng)，是將物質(zhì)的非晶態(tài)、多晶態(tài)或能夠形成該物質(zhì)的反應(yīng)物通過(guò)一定的化學(xué)的手段轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉У倪^(guò)程。首先將結(jié)晶的物質(zhì)通過(guò)熔化或溶解方式轉(zhuǎn)變成熔體或溶液。再控制其熱力學(xué)條件生成晶相，并讓其長(zhǎng)大。隨著晶體生長(zhǎng)學(xué)科理論和實(shí)踐的快速發(fā)展，晶體生長(zhǎng)手段也日新月異。單晶的制備方法通?？梢苑?/p>

3、為熔體生長(zhǎng)、溶液生長(zhǎng)和相生長(zhǎng)等［1］。2.1熔體生長(zhǎng)法制備單晶從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法是最早的研究方法，也是廣泛應(yīng)用的合成方法。從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法主要有焰熔法、提拉法和區(qū)域熔煉法。2.1.1焰熔法［2］2.1.1.1基本原理焰熔法是從熔體中生長(zhǎng)單晶體的方法。其原料的粉末在通過(guò)高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過(guò)程中冷卻并在籽晶上固結(jié)逐漸生長(zhǎng)形成晶體。2.1.1.2合成過(guò)程振動(dòng)器使粉料以一定的速率自上而下通過(guò)氫氧焰產(chǎn)生的高溫區(qū)，粉體熔化后落在籽晶上形成液層，籽晶向下移動(dòng)而使液層結(jié)晶。此方法主要用于制備寶石等晶體。2.1.2提拉法［2］提拉法

4、是從熔體中生長(zhǎng)晶體常用的方法。用此法可以拉出多種晶體，如單晶Si、Ge及大多數(shù)激光晶體。在2O世紀(jì)60年代，提拉法進(jìn)一步發(fā)展為一種更為先進(jìn)的定型晶體生長(zhǎng)方法——熔體導(dǎo)模法。它是控制晶體形狀的提拉法，即直接從熔體中拉制出具有各種截面形狀晶體的生長(zhǎng)技術(shù)。2.1.2.1提拉法的基本原理提拉法是將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長(zhǎng)出單晶體。2.1.2.2工藝流程2.1.2.2.1同成分的結(jié)晶物質(zhì)熔化，但不分解，不與周?chē)磻?yīng)。2.1.2.

5、2.2預(yù)熱籽晶，旋轉(zhuǎn)著下降后，與熔體液面接觸，待熔后，緩慢向上提拉。2.1.2.2.3降低坩堝溫度或熔體溫度梯度，不斷提拉籽晶，使其籽晶變大。2.1.2.2.4等徑生長(zhǎng)：保持合適的溫度梯度與提拉速度，使晶體等徑生長(zhǎng)。2.1.2.2.5收晶：晶體生長(zhǎng)所需長(zhǎng)度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。2.1.2.2.6退火處理晶體。2.1.3區(qū)域熔煉法［3］區(qū)熔法顯著的特點(diǎn)是不用坩堝盛裝熔融硅，而是在高頻電磁場(chǎng)作用下依靠硅的表面張力和電磁力支撐局部熔化的硅液，因此區(qū)熔法又稱(chēng)為懸浮區(qū)熔法。區(qū)域熔化提純法的最大優(yōu)點(diǎn)是

6、其能源消耗比傳統(tǒng)方法減少60%以上，最大的缺點(diǎn)是難以達(dá)到高純度的電子級(jí)多晶硅的要求。2.1.3.1區(qū)域熔煉法基本原理在進(jìn)行區(qū)域熔煉過(guò)程中，物質(zhì)的固相和液相在密度差的驅(qū)動(dòng)下，物質(zhì)會(huì)發(fā)生輸運(yùn)。因此，通過(guò)區(qū)域熔煉可以控制或重新分配存在于原料中的可溶性雜質(zhì)或相。利用一個(gè)或數(shù)個(gè)熔區(qū)在同一方向上重復(fù)通過(guò)原料燒結(jié)以除去有害雜質(zhì)；利用區(qū)域熔煉過(guò)程有效地消除分凝效應(yīng)，也可將所期望的雜質(zhì)均勻地?fù)饺氲骄w中去，并在一定程度上控制和消除位錯(cuò)、包裹體等結(jié)構(gòu)缺陷。2.1.3.2浮區(qū)熔煉法的工藝條件［2］把原料先燒結(jié)或壓制成棒狀，然后用兩個(gè)卡盤(pán)將兩端固定好。將燒結(jié)棒垂

7、直地置入保溫管內(nèi)，旋轉(zhuǎn)并下降燒結(jié)棒(或移動(dòng)加熱器)。燒結(jié)棒經(jīng)過(guò)加熱區(qū)，使材料局部熔化。熔融區(qū)僅靠熔體表面張力支撐。當(dāng)燒結(jié)棒緩慢離開(kāi)加熱區(qū)時(shí)，熔體逐漸緩慢冷卻并發(fā)生重結(jié)晶，形成單晶體。2.2從液體中生長(zhǎng)單晶體由兩種或兩種以上的物質(zhì)組成的均勻混合物稱(chēng)為溶液，溶液由溶劑和溶質(zhì)組成。合成晶體所采用的溶液包括：常溫溶液（如水溶液、有機(jī)溶液、凝膠溶液等）、高溫溶液（即熔鹽）等。2.2.1常溫溶液法晶體生長(zhǎng)以水、重水或液態(tài)有機(jī)物作溶劑的溶液中，可生長(zhǎng)完整均勻的大尺寸單晶體。2.2.1.1基本原理2.2.1.1.1晶體生長(zhǎng)的必要條件：一定溫度條件下，溶液

8、的濃度大于該溫度下的平衡濃度（即飽和濃度）稱(chēng)過(guò)飽和，其大于的程度稱(chēng)過(guò)飽和度，它是溶液法晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。2.2.1.1.2晶體生長(zhǎng)的充分條件：把溶液的過(guò)飽和狀態(tài)控制在亞穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，避免進(jìn)入不穩(wěn)定