單晶材料及其制備

1、1單晶材料及其制備摘要： 摘要：?jiǎn)尉?single crystal)，即結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說(shuō)晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長(zhǎng)程有序。單晶整個(gè)晶格是連續(xù)的，具有重要的工業(yè)應(yīng)用。本文主要對(duì)單晶材料制備的幾種常見的方法進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Р牧?制備1. 單晶材料單晶(single crystal)，即結(jié)晶體內(nèi)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(shuō)晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長(zhǎng)程有序。單晶是由結(jié)構(gòu)基元（原子，原子團(tuán)，離子） ，在三維空間內(nèi)按長(zhǎng)程有序排列而成的固態(tài)物質(zhì)。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(duì)稱性、最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性。單晶材料是一種應(yīng)用日益廣泛的新材料，由單獨(dú)的一個(gè)晶體組成，其衍射花樣為規(guī)則的點(diǎn)陣。2.單晶材料的制備單晶材料的制備也稱為晶體的生長(zhǎng)，是將物質(zhì)的非晶態(tài)、多晶態(tài)

3、或能夠形成該物質(zhì)的反應(yīng)物通過(guò)一定的化學(xué)的手段轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉У倪^(guò)程。首先將結(jié)晶的物質(zhì)通過(guò)熔化或溶解方式轉(zhuǎn)變成熔體或溶液。再控制其熱力學(xué)條件生成晶相，并讓其長(zhǎng)大。隨著晶體生長(zhǎng)學(xué)科理論和實(shí)踐的快速發(fā)展，晶體生長(zhǎng)手段也日新月異。單晶的制備方法通?？梢苑譃槿垠w生長(zhǎng)、溶液生長(zhǎng)和相生長(zhǎng)等［1］ 。2.1 熔體生長(zhǎng)法制備單晶從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法是最早的研究方法，也是廣泛應(yīng)用的合成方法。從熔體中生長(zhǎng)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(zhǎng)單晶體的方法。其原料的粉末在通過(guò)高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過(guò)程中冷卻并在籽晶上固結(jié)逐漸生長(zhǎng)形成晶體。2.1.1.2 合成 合成過(guò)程振動(dòng)器使粉料以一定的速率自上而下通過(guò)氫氧焰產(chǎn)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(dòng)而使液層結(jié)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(zhǎng)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(jì) 60 年代，提拉法進(jìn)一步發(fā)展為一種更為先進(jìn)的定型晶體生長(zhǎng)方法——熔體導(dǎo)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(zhǎng) 常溫溶液法晶體生長(zhǎng)以水、重水或液態(tài)有機(jī)物作溶劑的溶液中，可生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)飽和，其大于的程度稱過(guò)飽和度，它是溶液法晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。 2.2.1.1.2 晶體生長(zhǎng)的充分條件：把溶液的過(guò)飽和狀態(tài)控制在亞穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，避免進(jìn)入不穩(wěn)定或穩(wěn)定區(qū)。2.2.1.2 晶體生 晶體生長(zhǎng)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(guò)飽和態(tài)，以實(shí)現(xiàn)晶體不斷生長(zhǎng)的方法。2.2.1.2.2 流動(dòng)法：控制飽和槽和生長(zhǎng)槽間溫差及流速并使其處于亞穩(wěn)過(guò)飽和態(tài)。維持晶體不斷生長(zhǎng)。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(guò)飽和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)晶體的完全生長(zhǎng)。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(guò)飽和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)晶體不斷生長(zhǎng)。關(guān)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(zhì)的溶液通過(guò)凝膠擴(kuò)散，相遇，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶物質(zhì)，并在凝膠中成核，長(zhǎng)大。2.2.2 2.2.2 高溫溶液法生長(zhǎng)晶體 高溫溶液法生長(zhǎng)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(jié)晶 ,依靠容器內(nèi)的溶液維持溫差對(duì)流形成過(guò)飽和狀態(tài) 通過(guò)緩沖器和加熱來(lái)調(diào)整溫差 。2.2.2.2 晶體生 晶體生長(zhǎng)方法 方法2.2.2.2.1 緩冷法：以 0.2－5℃/h 的速度，使處在過(guò)飽和態(tài)的高溫溶液降溫，先慢后快，防止過(guò)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(shí)，較快速降溫。并用適當(dāng)?shù)娜軇┤艿裟淘诰w