晶体生长(3分钟了解晶体生长技术)

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晶体生长(3分钟懂得晶体生长技巧)

晶体生长技巧是应用物资(液态、固态、气态)的物理化学性质掌握相变进程,获得具有必定构造、尺码、形状和性能的晶体的技巧。

(a) 天然的刚玉,经过熔融和人工晶体生长可以得到。(b)人工晶体生长获得的红宝石。人工晶体生长的奥妙之处可见一斑,堪称“点石成玉”的技巧。

人们从事晶体生长的历史可以追溯到公元前2700年前后。那个时代,我们的祖先已控制了从海水中获取食盐晶体的办法。在我国明代的著作《天工开物》中记录有“天生曰卤,人生曰盐”。此处的“人生”即为现在所说的人工晶体生长。我国古代的炼丹术中关于“丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”的记录,其后一句即是由S和Hg合成HgS晶体的进程。然而,在漫长的历史中,晶体生长一直只是一种凭经验传授的技艺。

直到20世纪初,现代科学技巧的原理不断地被用于晶体生长进程的掌握,晶体生长百思特网开端了从技艺向科学的进化。特殊是20世纪50年代以来,以单晶硅为代表的半导体材质的发展推进了晶体生长理论研讨和技巧的发展。

晶体生长办法

近年来,多种化合物半导体等电子材质、光电子材质、非线性光学材质、超导材质、铁电材质、金属单晶材质的发展,引出一系列理论问题,并对晶体生长技巧提出了越来越庞杂的请求,晶体生长原理和技巧的研讨显得日益主要,成为现代科学技巧的主要分支。

目前,晶体生长已逐渐形成了一系列的科学理论,并被用于晶体生长进程的掌握。但这一理论系统尚未完美,仍有大批的内容依附于经验。因此,人们通常以为人工晶体生长是技艺和科学的联合。

制备完全晶体须要具备以下条件:

(1)反响系统的温度要掌握得均匀一致,以防止局部过冷或过热,影响晶体的成核和生长;

(2)结晶进程要尽可能地慢,以防止自发成核的涌现,因为一旦涌现自发的晶核,就会生成许多渺小品体,阻碍晶体长大;

(3)使降温速度与晶体成核、生长速度相配匹,使晶体生长得均匀、晶体中没有浓度梯度、组成不偏离化学整比性。

晶体生长办法可以依据其母相的类型归纳为4大类,即熔体生长、溶液生长、气相生长和固相生长。随着掌握条件的变更,这4类晶体生长办法已演化出数十种晶体生长技巧。

1(原创版权www.isoyu.com)熔体生长百思特网

是指使原料在高温下完整熔融,然后采取不同技巧手腕,在必定条件下制备出满足必定技巧请求的单晶体材质。熔体必需在受控的条件下实现定向凝固,生长进程是通过固-液界面的移动来完成的。熔体法生长是制备大单晶和特定形状单晶最常用的和最主要的一种办法,具有生长快、晶体的纯度和完全性高级长处。

包含有提拉法、坩锅降低法、区熔法、基座法、冷坩锅法与焰熔法等。

2溶液生长

溶液法的根本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中,采用恰当的办法造成溶液的过饱和状况,使晶体在其中生长。包含水溶液法、水热法与助溶剂法等。水溶液法一般是在常压和较低温度(100℃以下)下进行。

溶液法有以下长处:

(1)下降粘度。有些晶体在融化状况时粘度很大,冷却百思特网时不能形成晶体而成为玻璃体,溶液法采取低粘度的溶剂则可避免这一问题。

(2)容易长成大块的、均匀性良好的晶体,并且有较完全的外形。

(3)在多数情形下,可直接视察晶体生长进程,便于对晶体生长动力学的研讨。

溶液法的缺陷是组分多,影响晶体生长因素比拟庞杂,生长速度慢,周期长(一般须要数十天乃至一年以上)。另外,溶液法生长晶体对控温精度请求较高。

3气相生长

气相法生长就是将拟生长的晶体材质通过升华、蒸发、溅射或分解等进程转化为气相,然后通过恰当条件使之沉积而实现物资从源物资到固态薄膜的可控的原子转移。薄膜可以是单晶态,也可以是非晶态。

目前,气相法重要用于晶须、板状晶体和外延薄膜的生长(同质外延和异质外延),而生长大尺码的块状晶体有其不利之处。

沉积速率与衬底温度是影响薄膜沉积进程和薄膜组织的两个最主要的因素。要想得到幻想的单晶构造的薄膜,一个必要的条件往往是须要恰当地进步沉积温度,并下降沉积速率。低温沉积和高速沉积往往导致多晶态的沉积组织生成。

气相法晶体生长有以下特色:

1)生长的晶体纯度高;

2)生长的晶体完全性好;

3)晶体生长速度慢;

4)有一系列难以掌握的因素,如温度梯度、过饱和比、携带气体的流速等。

4固相生长

从固相中生长晶体的重要长处在于:

1)可以在不添加组分的情形下较低温进行生长,即在熔点以下的温度生长;

2)生长晶体的形状是事先固定的,所以丝、箔等形状的晶体容易生长出来;

3)取向常常容易得到掌握;

4)除脱溶以外的固相生长中,杂质和其他添加组分的散布在生长前被固定下来,并且不被生长进程所转变(除稍微被相当慢的扩散所转变外)。

从固相中生长晶体的办法重要有五种:

(1)应用退火清除应变的再结晶;

(2)应用烧结生长;

(3)应用多形性改变生长;

(4)应用退玻璃化再结晶;

(5)应用固态沉淀再结晶(有时称作脱溶生长,此法尚未用于单晶生长)。

晶体生长办法的分类

总的来说,如果把晶体生长全进程进行分解的话,它至少应当包含以下几个根本进程:溶质的溶解、晶体生长基元的形成、晶体生长基元在生长介质中的输运、晶体生长基元在晶体表面上的活动与联合以及晶体生长界面的推移,从而实现晶体生长。因此,从宏观角度看,晶体生长进程是晶体—环境相(蒸气、溶液、熔体)界面向环境相中不断推移的进程,也就是由包括组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的改变。从微观角度来看,晶体生长进程可以看作一个“基元”进程,所谓“基元”是指结晶进程中最根本的构造单元。从广义上说,“基元”可以是原子、分子、也可以是具有必定几何构型的原子(分子)集合体。