单晶制备张成智

Modifiez le style du titre,Modifiez les styles du texte du masque,Deuxime niveau,Troisime niveau,Quatrime niveau,Cinquime niveau,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单晶制备,张成智,按材料结晶状态分类,单晶,：,比较完整晶粒,构成的材料，如：单晶纤维、单晶硅。,多晶,：由,多个晶粒构成,的材料，其性能与晶粒大小和晶界的性质有密切的关系。,非晶,：由原子或分子,长程无序排列,的固态材料，如：玻璃，聚合物。,准晶,：（是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破）它是,无平移同期性但有位置序的晶体,，如：在急冷凝固的Al Mn合金，具有,五重旋转对称但并无无平移周期性,。,下面我们来着重讲一下单晶,2,单晶的发展,随着电子技术、激光技术和一些新型陶瓷材料的迅速发展，在很多场合下需要单晶材料（材料整体,只有一个晶粒,，内部没有晶界）。,单晶是由结构基元（原子，原子团，离子），在三维空间内按长程有序排列而成的固态物质。或者说是由结构基元在三维空间内，呈周期排列而成的固态物质。如水晶，金刚石，钻石、宝石等。,3,单向有序排列,决定了它具有以下特征：,（1）,均匀性,：同一单晶不同部位的宏观性质相同；,（2）,各向异性,：在单晶的不同方向上一般有不同的物理性质；,（3）,自限性,：单晶在可能的情况下，有自发地形成一定规则几何多面体的趋向；,（4）,对称性,：单晶在某些特定的方向上其外形及物理性质是相同的；,（5）,最小内能和最大稳定性,：物质的非晶态一般能够自发地向晶态转变。,4,单晶是如何做出来的呢？,单晶硅,5,单晶的生长工艺,单晶材料的制备又称,晶体生长,，是物质的非晶态，多晶态，或能够形成该物质的反应物，通过一定的,物理或化学手段,转变为单晶状态的过程。,单晶材料的制备关键是,避免多余晶核的形成,，保证,唯一晶核,的长大，因此，要求材料,纯度高,，以,避免非均匀形核,，过冷度低以防止形成其它晶核。,6,晶体生长方法,7,1、提拉法,提拉法，又称邱克拉斯基(Czochralski)法，简称CZ法。,1）同成分的结晶物质熔化，但,不分解,，,不与周围反应,。,2）预热籽晶，旋转下降与熔体液面接触，待籽晶微熔后，,缓慢向上提拉,。,3）,降低坩埚温度或熔体温度梯度,，不断提拉籽晶，使其变大,4）保持合适温度梯度与提拉速度，使晶体,等径生长,。,5）晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。,6）退火处理，以提高晶体均匀性和消除存在的内应力。,8,籽晶,说到,籽晶,，我们先说说,惯习面,。惯习面：结晶通常在,一定晶体学平面上,形成，这个平面就是惯习面。因为结晶时为了保持,能量最低,，所以惯习面一般是晶体结构的,密排面,。,使用籽晶的优点：作为,非均匀形核点,，可以使相变在其它均匀形核点所需要的温度发生；可以使晶体,生长轴沿着与结晶轴平行的方向生长,。适于半导体,单晶Si、Ge及大多数激光晶体,。,9,10,（a）CZ系统的主要组成,（b）籽晶以及从熔体中生长晶体的示意图,上下的转速一样,11,在一定温度场、提拉速度和旋转速度下，熔体通过籽晶生长，形成一定尺寸的单晶。其,优点,有：通过精密控制温度梯度、提拉速度、旋转速度等，可以获得优质大单晶；.可以通过工艺措施降低晶体缺陷，提高晶体完整性；通过籽晶制备不同晶体取向的单晶；.容易控制。,提拉法的,缺点,是：.由于使用坩埚，因此，容易污染；.对于蒸气压高的组分，由于挥发，不容易控制成分；.不适用于对于固态下有相变的晶体。,2、提拉法,的优缺点,12,2、坩埚下降法,13,2、坩埚下降法,又称Bridgman-Stockbarger法，在下降坩埚的过程中，能,精密测温、控温,。过热处理的熔体降到稍高于凝固温度后，坩埚下降至低温区，此时该部位呈多晶生长，,当某一晶粒占优势时变为单晶生长,。坩埚继续下降，晶体继续生长，直至 熔体全部进入低温区转变 为晶体，晶体生长结束。最后进行,晶体退火,。这种方法操作简便，,可生 长很大尺寸的晶体,。,其原理和提拉法一样,。,14,坩埚下降法,优缺点,生长晶体的,优点,有：,坩埚封闭，可生产挥发性物质的晶体；,成分易控制；,可生长大尺寸单晶；,常用于培养籽晶。,生长晶体的,缺点,有：,不宜用于负膨胀系数的材料；,由于坩埚作用，容易形成应力和污染；,不易于观察。,15,3、泡生法,又称KyroPoulos法，过热熔体降温至稍高于熔点，将,籽晶浸入熔体中使其微熔,，降低炉温或冷却籽晶杆，使籽晶周围熔体过冷，生长晶体。控制好温度，就能保持晶体不断生长。待其达到所需尺寸时，将晶体提出液 面，停止生长。最后晶体退火。,本方法常用来生长碱金属卤化物,、,蓝宝石,等晶体,。,16,17,蓝宝石属,三方晶系,其晶体结构存在两个主要的滑移体系:底面滑移系和柱面滑移系。因此,在其生长工艺中,合理地,选择温场的温度梯度和晶体生长方向将对晶体质量产生关键的影响,。建立,合理的温度梯度热系统,是温度梯度的决定因素,是生长优质晶体的首要条件,。,用,泡生法,生产蓝宝石,18,泡生法与提拉法的区别,泡生法是利用,温度控制,生长晶体，生长时,只拉出晶体头部,，晶体部分依靠温度变化来生长，而拉出颈部的同时，调整加热电压以使得熔融的原料达到最合适的生长温度范围。,泡生法生产出来的单晶形状不规则。,19,4、,水平区熔法,将结晶物质在坩埚中制成料锭；使坩埚一端移向高温区域，形成熔体；坩埚继续移动，移出高温区的熔体形成晶体，移入高温区的料锭熔化形成熔体；坩埚另一端移出高温区后,生长结束。,本方法主要,用于材,料的物理提纯，也,常用于晶体生长,。,20,5、,浮区法,将多晶料棒紧靠籽晶；射频感,应加热，使多晶料棒靠近籽晶,一端形成一个,熔化区,，并使籽,晶微熔，熔化区靠表面张力支,持而不流淌；同速向下移动多,晶料棒和晶体，相当于熔化区,向上移功，单晶逐渐长大，而,料棒不断缩短，直至多晶料棒,全部转变为晶体。,21,浮区法（垂直区熔法）也可以说是一种,垂直的区熔法,。在生长装置中，在生长的晶体和多晶棒之间有,一段熔区,，该,熔区有表面张力所支持,。熔区自上而下或自下而上移动，以完成结晶过程。,浮区法的主要,优点,是,不需要坩埚,，也由于加热不受坩埚熔点限制，可以生长熔点极高材料。生长出的晶体沿轴向有较小的组分不均匀性，在生长过程中容易观察等。,可以生长搞纯度的晶体,。,浮区法晶体生长过程中，熔区的稳定是靠表面张力与重力的平衡来保持，因此，材料要有较大的表面张力和较小的熔态密度。,浮区法对加热技术和机械传动装置的要求都比较严格,。,22,6、,焰熔法,焰熔法（火焰法，Verneuil method)，,是一种最简单的无坩埚生长方法，,十九世纪就被用来进行宝石的生长,，并且，一直到现在，其基本原理,都没有什么改变。焰熔法主要用来,生长宝石（氧化铝）、尖晶石、氧,化镍等高熔点晶体，其原理是利用,氢气和氧气在燃烧过程中产生的高,温，使一种疏松的原料粉末通过氢,氧焰撒下熔融，并落在一个冷却的,结晶杆上结成单晶。,23,焰熔法的,优点,是：,不用坩埚，无坩埚污染问题。可以生长高熔点氧化物晶体。生长速度快，可生长较大尺寸的晶体。设备简单，适用于工业生产。,焰熔法的,缺点,是：,火焰温度梯度大，生长的晶体缺陷多。易挥发或易被氧化的材料不宜使用。生长过程中，原料的损失严重,24,补充：结晶长大,熔体：需要一定的过冷度才能结晶,溶液：需要一定的过饱和浓度,气体到液体：需要一定的过饱和蒸汽压,25,Thank You for your attention!,Do you have any questions?,谢谢,大家,Make Presentation much more fun,