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单晶材料制备.ppt
液相-固相平衡之区域熔化技术 区域熔化技术是半导体提纯的主要技术。也可以作为一种单晶生长技术,因为在用它进行提纯时的确常常得到单晶。 区域熔化法的原理 要制备单晶,可将单晶体籽晶放在料舟的左边。籽晶须部分熔化,以便提供一个清洁的生长表面。然后熔区向右移动,倘若材料很容易结晶也可以不要籽晶。热源可以是熔体、料舟或受感器耦合的射频加热。其他热源包括电阻元件的辐射加热、电子轰击以及强灯光或日光的聚焦辐射. 在水平区熔中容器必须和熔体相适应。即使熔体和料舟不起反应也可能与之足够浸润,这样,生长出的晶体会吸附在料舟上。由于冷却时收缩的不同,这可能引起应变,并且常使晶体很难从料舟中取出。有时用可以变形的或软的料舟来克服这些困难。如果使料舟的左端收尖,不需要籽晶的单晶成核往往是可能发生的。 图(b)表示悬浮区熔方法,首先为凯克和戈里(Keck)和(Golay))所描述。该技术的第一个应用是提纯硅。它借助表面张力支持着试样的熔化液区,试样轴是垂直的。这种技术不需要容器,它是“无坩埚的”,因而与料舟的反应不再是个问题。 液相-固相平衡之水平区熔法 (1)将结晶物质在坩埚中制成铸锭。 (2)使坩埚一端移向高温区域,形成熔体。 (3)坩埚继续移动,移出高温区的熔体形成晶体,进入高温区的料锭熔化形成熔体。 (4)坩埚的另一端移出高温区后生长结束。 液相-固相平衡之浮区法 (1)将多晶料棒紧靠籽晶。 (2)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。 (3)同速向下移动多晶料棒和晶体,相当于熔化区向上移动,单晶逐渐长大,而料棒不断缩短,直至多晶料棒全部转变为单晶体。 常温溶液法-降温法 降温法是靠不断降温维持溶液过饱和,使晶体不断生长的方法. 常温溶液法-降温法 配制溶液,必要时进行过滤。测定精确饱和温度,并过热处理。预热籽晶,同时溶液降温至比饱和温度略高。种下籽晶,待其微溶时溶液降温至饱和温度,按降温程序降温,使晶体正常生长。生长结束,抽取溶液使晶体与溶液分离,将温度降至室温,取出晶体。 常温溶液法-降温法 由于降温法设备简单,所以是从溶液中培养晶体的一种最常用方法。其中的降温程序是根据结晶物质的溶解度曲线、溶液体积和晶体生长习性等制定的,只有溶解度较大、溶解度温度系数也较大的物质才适用本方法生长。如压电和光电晶体NH4H2PO4、热释电晶体TGS等可用此法生长。 热释电晶体就是其中的一类。有些晶体在受热时,其两端会产生符号相反的电荷,冷却时其两端电荷的符号便逆转。这类晶体称为热释电晶体。在通常情况下,一切发热的物体都会辐射出红外线,人体也不例外。利用热释电晶体做成的热释电元件,再配以电子、机械等元件就可以制作红外夜视仪。 常温溶液法-流动法 流动法生长设备由三部分组成,即生长槽、饱和槽和过热槽,它们之间以泵和管道相通,溶液在其间循环流动,每个槽都有独立的控温系统,由饱和槽和生长槽的温差及溶液流速来控制溶液处于过饱和状态,晶体不断生长。 (1)同时在三个槽内加入一定温度的饱和溶液,并在饱和槽中加入固态溶质,生长槽和饱和槽均控制在饱和温度,过热槽控制在过热温度,开泵使溶液循环流动。 (2)平衡后,生长槽升温至比饱和温度略高,下籽晶(事先预热处理),待其微溶,生长槽降温至饱和温度(即生长温度),及饱和槽升温至既定温度,恒温,这样生长槽的晶体不断生长,饱和槽的溶质不断减少,在生长过程中,饱和槽还可以随时补充固态溶质。 常温溶液法-流动法 现代材料制备技术 现代材料制备技术 单晶材料的制备 一.概述 随着现代科学的发展,在材料科学研究领域中单晶体材料占着很重要的地位。由于多晶体含有晶粒间界,人们利用多晶体来研究材料性能时在很多情况下得到的不是材料本身的性能而是晶界的性能。有的性能必须用单晶来进行研究。其中一个著名的例子是半导体的电导率,这一性质特别具有杂质敏感性,杂质容易偏析在晶界上。为了在半导体中测定与电导率有关的性质,几乎总是需要单晶体。晶界和所伴随的空穴常常引起光散射,因此在光学研究中通常采用单晶体。在金属物理领域内,要研究晶界对性能的影响,人们往往也需要金属单晶。 单晶体经常表现出电、磁、光、热等方面的优异性能,用单晶做成的电子器件、半导体器件等应用于现代科学技术的许多领域。例如单晶体的频率稳定性比多晶体好得多,因此单晶的压电晶体(如石英)被用来作为频率控制元件。如果不是提供了优质半导体单晶,半导体工业的存在和发展是很难想象的。上世纪60年代以后激光技术的出现,对单晶体的品种和质量提出了崭新的要求。在电子工业、仪器仪表工业中大量应用单晶做成器件,例如晶体管主要是由硅、锗或砷化镓单晶所组成;激光器的关键部分就是红宝石单晶或者是钇铝石榴石单晶;谐振器的主要部件则是石英单晶。 1.1单晶体的基本性
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