1.4__定向凝固与单晶材料制备.ppt

天然单晶（包括钻石、宝石、方解石、水晶石等） 人工合成单晶：20世纪40年代，ADP、罗息盐、水晶—压电晶体 50年代 单晶Ge, Si 等 60年代 人造红宝石Cr3+:Al2O3 现代 功能晶体：人工合成和生长而成，能实现电、光、声、热、磁、力等不同能量形式的相互作用和转换。是在自动化技术、激光技术、红外遥感技术、计算机、信息、原子能等广泛使用的固体器件材料。 ② 单晶的发展历程 激光晶体：红宝石（Cr 3+: Al2O3）、掺钕的钇铝石榴石（Nd3+: Y3Al5O12）、NYAB[Nd: YAl3(BO3)4]等单晶为固体激光器的核心材料。 非线性光学晶体：磷酸二氢钾（KH2PO4）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）、偏硼酸钡（?-BaB2O4）等单晶材料能实现激光的倍频、和频、差频、光参量放大，为重要的非线性光学晶体，广泛用于激光技术中。 半导体：锗（Ge）单晶、硅（Si）单晶及ⅢA～ⅤA族化合物单晶均为重要的半导体材料，其中单晶硅为半导体器件的基础材料，优质的单晶硅可用于大规模集成电路。 压电晶体：水晶（α－SiO2）、磷酸二氢铵（NH4H2PO4）、钛酸钡（BaTiO3）、钽酸锂（LiTaO3）等单晶为常用的压电材料，其中用量最大的是水晶，主要用于声电换能器，如超声发生器、水听器、声纳等； 热释电晶体：硫酸三甘氨酸 [（NH2CH2COOH）3·H2SO4](简称TGS)、铌酸锂（LiNbO3）、亚硝酸钠(NaNO2)等单晶为重要的热释电晶体,主要用于红外检测、红外探测和红外摄像等技术领域中。 ③ 单晶材料制备 指将物质的非晶态、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。 目前，常用的晶体生产方法为： 熔体法、常温溶液法、高温溶液法、其它方法。 1.4.1 熔体法晶体生长 1.4.2 常温溶液法晶体生长 1.4.3 高温溶液法晶体生长 1.4.4 其它生长法 1.4.1 熔体法晶体生长 基本原理 晶体生长过程使自由能降低 晶体生长速度 f — 晶体、熔体的温度梯度 ?c — 晶体密度 L — 结晶潜热 Kc、KM — 晶体、熔体的热导率 生长原理示意图 晶体生长方法 （1）提拉法 （2）坩埚下降法 （Bridgeman – Stockbarger法） （3）泡生法 （4）水平互熔法 （5）浮区法 提拉法示意图见图1-35。 应用最广，首次(50年)用于生长Ge单晶。适用于Si、Ge及大部分激光晶体。 工艺流程： 同成分的结晶物质熔化，但不分解，不与周围反应。 预热籽晶，旋转着下降后，与熔体液面接触，待熔后，缓慢向上提拉。 降低坩埚温度或熔体温度梯度，不断提拉籽晶，使其籽晶变大。 等径生长：保持合适的温度梯度与提拉速度，使晶体等径生长。 收晶：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。 退火处理晶体。 ⑴ 提拉法 工作原理演示 单晶熔炼生长炉 单晶提拉炉 生产过程 晶体的质量控制 晶体中可能出现的缺陷：空位、杂质原子、位错、小角晶界、孪生、生长层、气泡、胞状组织、裂隙等 控制因素：（1）温度场决定固-液界面形状，控制晶体完整性的关键技术。（2）界面稳定性。 ⑵ 坩埚下降法 （Bridgeman – Stockbarger法） 示意图见1-36 注意：坩埚底部尖端的选晶作用。 在下降坩埚的过程，能精密测温、控温的设备中进行。 熔体过热处理后降到稍高于凝固温度后。 降低坩埚使其尖端进入至低温区。开始时呈多晶生长，当某一晶粒占优时，实现单晶生长 坩埚继续下降，晶体保持生长，直至结束。 晶体退火处理 工艺过程 ⑶ 泡生法 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。 晶体退火处理 示意图见1—37 工艺过程 ⑷ 水平互熔法 将结晶物质在坩埚中制成料锭； 使坩埚一端移向高温区，形成熔体； 从高温区向低温区移动，移出高温区的熔体形成结晶。 原理演示 示意图见1-38 坩埚材料的要求： 熔点高 不反应、互熔 有机加工性和抗热震性 膨胀系数与所制备材料相近 常用材料：Pt、Ir、Mo、G、石英及其它高熔点氧化物。 要生长高熔点晶体，如果坩埚无法满足时，可采取另一种方法—浮区法，同时，因为不用坩埚可用来生长高纯度的晶体材料。 （5） 浮区法 选择一个籽晶，多晶棒紧靠籽晶； 射频感应加热，使多晶棒靠籽晶端形成熔化区，并使籽晶微熔，在两棒界面形成熔化区； 同速地向下移动多晶棒和晶体，使多晶棒逐渐全部完成熔化、结晶的过程。 示意图见1—39 原理演示 晶