第四章单晶的制备重点介绍.ppt

第七章 单晶材料的制备 站长素材 SC.CHINAZ.COM 4.1.1 晶体学的发展 人造晶体出现也很早——食盐 银朱——人造辰砂的制造 国际上——结晶学 萌芽于17世纪 丹麦学者 晶面角守恒定律 我国——现代人工晶体材料的研究 开创于上世纪50年代中期 4.1.2 单晶体概述 单晶体的基本性质 1）均匀性 2）各向异性 3）自限性 4）对称性 5）最小内能和最大稳定性 4.1.3 单晶材料制备方法 1. 制备方法的选择 ——取决于晶体物质的性质 2. 晶体生长类型 3. 常用单晶生长方法 4.2 固相—固相平衡的晶体生长 优点：生长温度低； 晶体形状可预先固定。 缺点：难以控制成核以形成大晶粒。 应变退火法制备铝单晶 1.在550℃使铝退火，以消除应变的影响并提供大小合乎要求的晶粒。 2.初始退火后，较低温度下回复退火，以减少晶粒数目，使晶粒在后期退火时更快地长大，在320℃退火4h以得到回复，加热至450℃，并在该温度下保温2h，可以获得15cm长，直径为1mm的丝状单晶。 3.在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s，并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品还有2mm大小晶粒和强烈的织构，再经一温度梯度，然后加热至640℃，可以得到1m长的晶体。 4.采用交替施加应变和退火的方法，可以得到2.5cm的高能单晶铝带，使用的应变不会促使新晶粒成核，退火温度为650℃。 应变退火法制备铁单晶 1.在550℃使铝退火，以消除应变的影响并提供大小合乎要求的晶粒。 2.初始退火后，较低温度下回复退火，以减少晶粒数目，使晶粒在后期退火时更快地长大，在320℃退火4h以得到回复，加热至450℃，并在该温度下保温2h，可以获得15cm长，直径为1mm的丝状单晶。 3.在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s，并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品还有2mm大小晶粒和强烈的织构，再经一温度梯度，然后加热至640℃，可以得到1m长的晶体。 4.采用交替施加应变和退火的方法，可以得到2.5cm的高能单晶铝带，使用的应变不会促使新晶粒成核，退火温度为650℃。 应变退火法制备铜单晶 1.室温下辊轧已退火的铜片，减厚约90%。 2.真空中将试样缓慢加热至1000~1400℃，保温2~3h。 4.3 液相-固相平衡的晶体生长 4.3.1 基本理论 4.3.2 定向凝固技术 4.3.3 提拉法 4.3.4 泡生法 4.3.5 区域熔化技术 从熔体中生长单晶的最大优点在于： 熔体生长速率大多快于溶液生长、晶体的纯度和完整性高 4.3.1 基本理论 1. 晶体生长驱动力——过冷度 2. 形核理论 均匀成核： 所谓的均匀成核，是指在一个热力学体系内，各处的成核几率相等。 由于热力学体系的涨落现象，在某个瞬间，体系中某个局部区域偏离平衡态，出现密度涨落，这时，这个小局部区域中的原子或分子可能一时聚集起来成为新相的原子集团（称为胚芽）。 这些胚芽在另一个瞬间可能又解体成为原始态的原子或分子。但某些满足一定条件的胚芽可能成为晶体生长的核心。如果这时有相变驱动力的作用，这些胚芽可以发展成为新的相核，进而生长成为晶体。 晶核的形成存在一个临界半径，当晶核半径小于此半径时，晶核趋于消失，只有当其半径大于此半径时，晶核才稳定地长大。 非均匀成核： 所谓非均匀成核，是指体系在外来质点，容器壁或原有晶体表面上形成的核。在此类体系中，成核几率在空间各点不同。 自然界中的雨雪冰雹等的形成都属于非均匀成核。 实际上，在所有物质体系中都会发生非均匀成核。有目的地利用体系的非均匀成核，可以达到特殊的效果和作用。 4.熔体生长过程的特点: 1）通常，当一个结晶固体的温度高于熔点时，固体就熔化为熔体；当熔体的温度低于凝固点时，熔体就凝固成固体（往往是多晶）。因此，熔体生长过程只涉及固一液相变过程，这是熔体在受控制的条件下的定向凝固过程。 2）在该过程中，原子（或分子）随机堆积的阵列直接转变为有序阵列，这种从无对称结构到有对称性结构的转变不是一个整体效应，而是通过固一液界面的移动而逐渐完成的。 3）熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体，为此，首先要在熔体中形成一个单晶核（引入籽晶，或自发成核），然后，在晶核和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列而形成单晶体，即在籽晶与熔体相界面上进行相变，使其逐渐长大。 4）只有当晶核附近熔体的温度低于凝固点时，晶核才能继续发展。因此，生长着的界面必须处于过冷状态。 5）为了避免出现新的晶核