單晶材料及其制備

1、1單晶材料及其制備摘要： 摘要：單晶(single crystal)，即結晶體內部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質點在空間的排列為長程有序。單晶整個晶格是連續(xù)的，具有重要的工業(yè)應用。本文主要對單晶材料制備的幾種常見的方法進行介紹。關鍵詞： 關鍵詞：單晶材料 制備1. 單晶材料單晶(single crystal)，即結晶體內部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，

2、或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質點在空間的排列為長程有序。單晶是由結構基元（原子，原子團，離子） ，在三維空間內按長程有序排列而成的固態(tài)物質。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、對稱性、最小內能和最大穩(wěn)定性。單晶材料是一種應用日益廣泛的新材料，由單獨的一個晶體組成，其衍射花樣為規(guī)則的點陣。2.單晶材料的制備單晶材料的制備也稱為晶體的生長，是將物質的非晶態(tài)、多晶態(tài)

3、或能夠形成該物質的反應物通過一定的化學的手段轉變?yōu)閱尉У倪^程。首先將結晶的物質通過熔化或溶解方式轉變成熔體或溶液。再控制其熱力學條件生成晶相，并讓其長大。隨著晶體生長學科理論和實踐的快速發(fā)展，晶體生長手段也日新月異。單晶的制備方法通?？梢苑譃槿垠w生長、溶液生長和相生長等［1］ 。2.1 熔體生長法制備單晶從熔體中生長晶體的方法是最早的研究方法，也是廣泛應用的合成方法。從熔體中生長晶體的方法主要有焰熔法、提拉法和區(qū)域熔煉法。2.1.1 2

4、.1.1 焰熔法 焰熔法［2］2.1.1.1 基本原理 基本原理焰熔法是從熔體中生長單晶體的方法。其原料的粉末在通過高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過程中冷卻并在籽晶上固結逐漸生長形成晶體。2.1.1.2 合成 合成過程振動器使粉料以一定的速率自上而下通過氫氧焰產生的高溫區(qū)，粉體熔化后落在籽晶上形成液層，籽晶向下移動而使液層結晶。此方法主要用于制備寶石等晶體。2.1.2 2.1.2 提拉法 提拉法［2］提拉法是從熔體中生長晶體常用的方法

5、。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 60 年代，提拉法進一步發(fā)展為一種更為先進的定型晶體生長方法——熔體導模法。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32.2.1 2.2.1 常溫溶液法晶體生長 常溫溶液法晶體生長以水、重水或液態(tài)有機物作溶劑的溶液中，可生長完整均勻的大尺寸單晶體。2.2.1.1 基本原理 基本原理2.2.1.1.1 晶體生長的必要條件：一定溫度條件下，溶液的濃度大

6、于該溫度下的平衡濃度（即飽和濃度）稱過飽和，其大于的程度稱過飽和度，它是溶液法晶體生長的驅動力。 2.2.1.1.2 晶體生長的充分條件：把溶液的過飽和狀態(tài)控制在亞穩(wěn)定區(qū)內，避免進入不穩(wěn)定或穩(wěn)定區(qū)。2.2.1.2 晶體生 晶體生長方法 方法2.2.1.2.1 降溫法：利用不斷降溫并維持溶液亞穩(wěn)過飽和態(tài)，以實現(xiàn)晶體不斷生長的方法。2.2.1.2.2 流動法：控制飽和槽和生長槽間溫差及流速并使其處于亞穩(wěn)過飽和態(tài)。維持晶體不斷生長。2.2.1

7、.2.3 蒸發(fā)法：利用不斷蒸發(fā)溶劑，并控制蒸發(fā)速度，維持溶液處于亞穩(wěn)的過飽和狀態(tài)，實現(xiàn)晶體的完全生長。2.2.1.2.4 電解溶劑法：利用電解原理，不斷從體系中去除溶劑，以維持溶液過飽和狀態(tài)，實現(xiàn)晶體不斷生長。關鍵是控制電解電流，即溶劑電解速度保持體系處于亞穩(wěn)區(qū)。2.2.1.2.5 凝膠法：兩物質的溶液通過凝膠擴散，相遇，經化學反應，生成結晶物質，并在凝膠中成核，長大。2.2.2 2.2.2 高溫溶液法生長晶體 高溫溶液法生長晶體2.2

8、.2.1 基本原理 基本原理高溫溶液法 ,其中包括溫差法、降溫法 或升溫法 及等溫法。目前主要采用溫差水熱結晶 ,依靠容器內的溶液維持溫差對流形成過飽和狀態(tài) 通過緩沖器和加熱來調整溫差 。2.2.2.2 晶體生 晶體生長方法 方法2.2.2.2.1 緩冷法：以 0.2－5℃/h 的速度，使處在過飽和態(tài)的高溫溶液降溫，先慢后快，防止過多成核。溫度降到出現(xiàn)其它相或溶解的溫度系數(shù)近于 0 時，較快速降溫。并用適當?shù)娜軇┤艿裟淘诰w