單晶材料的制備.ppt

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1、單晶材料的制備站長(zhǎng)素材SC.CHINAZ.COM單晶材料的發(fā)展與概述固相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)常用單晶材料的制備方法1234目錄2晶體學(xué)的發(fā)展天然晶體——石英50萬(wàn)年以前，藍(lán)田猿人和北京猿人使用的工具——石英早在南北朝，陶弘景就指出它“六面如削”的形狀宋代杜綰的《云林石譜》也說(shuō)“其質(zhì)六棱”3人造晶體出現(xiàn)也很早——食鹽《演繁露》中記載有：“鹽已成鹵水，暴烈日中，即成方印，潔白可愛(ài)，初小漸大，或數(shù)十印累累相連。”這實(shí)際上就是從過(guò)飽和溶液中生長(zhǎng)晶體的方法。《演繁露》為宋代程大昌所撰，成

2、書于1000多年以前。4銀朱——人造辰砂的制造李時(shí)珍引用胡演的《藥丹秘訣》說(shuō)：“升煉銀朱，用石亭脂二斤，新鍋內(nèi)熔化。次下水銀一斤，炒作青砂頭。炒不見(jiàn)星，研末罐盛，石版蓋住，鐵線縛定，鹽泥固濟(jì)，大火鍛之，待冷取出。貼罐者為銀朱，貼口者為丹砂?！边@實(shí)際上是汞和硫通過(guò)化學(xué)氣相沉積而形成辰砂的過(guò)程，稱為“升煉”。我們現(xiàn)在生長(zhǎng)砷化鎵一類的光電晶體，基本上還在用“升煉”的方法，實(shí)際上這種方法在煉丹術(shù)時(shí)代就已經(jīng)開(kāi)始使用了。5國(guó)際上——結(jié)晶學(xué)萌芽于17世紀(jì)丹麥學(xué)者晶面角守恒定律晶體生長(zhǎng)大部分工作室從20世紀(jì)初期才開(kāi)始

3、的1902年焰熔法1905年水熱法1917年提拉法1952年P(guān)fann發(fā)展了區(qū)熔技術(shù)1949年，英國(guó)法拉第學(xué)會(huì)舉行了第一次關(guān)于晶體生長(zhǎng)的國(guó)際討論會(huì)，為以后晶體生長(zhǎng)的理論奠定了基礎(chǔ)。晶體生長(zhǎng)的理論發(fā)展，特別是伯頓等人提出的理論，推動(dòng)了晶體理論的向前發(fā)展。6我國(guó)——現(xiàn)代人工晶體材料的研究開(kāi)創(chuàng)于上世紀(jì)50年代中期領(lǐng)域的研究從無(wú)到有，從零星的實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，進(jìn)展相當(dāng)迅速。現(xiàn)在我國(guó)的人工水晶，人造金剛石已成為一個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。BGO、KTP、KN、BaTiO3和各類寶石晶體均已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)BBO、

4、LBO、LAP等晶體也已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際水平。我國(guó)每三年召開(kāi)一次全國(guó)人工晶體生長(zhǎng)學(xué)術(shù)交流會(huì)，就晶體生長(zhǎng)理論與技術(shù)，新材料晶體的研制，進(jìn)行廣泛的學(xué)術(shù)交流。7單晶體的基本性質(zhì)（1）均勻性（2）各向異性（3）自限性（4）對(duì)稱性（5）最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性單晶體概述8單晶材料制備方法1.制備方法的選擇——取決于晶體物質(zhì)的性質(zhì)2.晶體生長(zhǎng)類型3.常用單晶生長(zhǎng)方法單組分結(jié)晶多組分結(jié)晶固相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)氣相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)9固相—固相平衡的晶體生長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)溫度低；晶體形狀可預(yù)先固定。缺

5、點(diǎn)：難以控制成核以形成大晶粒。10晶粒長(zhǎng)大示意圖11與晶界曲率相關(guān)的晶界運(yùn)動(dòng)12晶粒間界形核示意圖多變化示意圖13應(yīng)變退火法制備鋁單晶1.在550℃使鋁退火，以消除應(yīng)變的影響并提供大小合乎要求的晶粒。2.初始退火后，較低溫度下回復(fù)退火，以減少晶粒數(shù)目，使晶粒在后期退火時(shí)更快地長(zhǎng)大，在320℃退火4h以得到回復(fù)，加熱至450℃，并在該溫度下保溫2h，可以獲得15cm長(zhǎng)，直徑為1mm的絲狀單晶。3.在液氮溫度附近冷輥軋，然后在640℃退火10s，并在水中淬火，得到用于再結(jié)晶的鋁，此時(shí)樣品還有2mm大小晶粒

6、和強(qiáng)烈的織構(gòu)，再經(jīng)一溫度梯度，然后加熱至640℃，可以得到1m長(zhǎng)的晶體。4.采用交替施加應(yīng)變和退火的方法，可以得到2.5cm的高能單晶鋁帶，使用的應(yīng)變不會(huì)促使新晶粒成核，退火溫度為650℃。14基本理論定向凝固技術(shù)提拉法泡生法區(qū)域熔化技術(shù)液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)15從熔體中生長(zhǎng)單晶的最大優(yōu)點(diǎn)在于：熔體生長(zhǎng)速率大多快于溶液生長(zhǎng)、晶體的純度和完整性高16基本理論1.晶體生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力——過(guò)冷度冷卻速度↑，過(guò)冷度↑，晶體生長(zhǎng)速度↑冷卻速度↓，過(guò)冷度↓，晶體生長(zhǎng)速度↓172.形核理論晶體生長(zhǎng)可以分為成核和長(zhǎng)大兩個(gè)

7、階段。成核過(guò)程主要考慮熱力學(xué)條件。長(zhǎng)大過(guò)程則主要考慮動(dòng)力學(xué)條件。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，新相核的發(fā)生和長(zhǎng)大稱為成核過(guò)程。成核過(guò)程可分為均勻成核和非均勻成核。18均勻成核：所謂的均勻成核，是指在一個(gè)熱力學(xué)體系內(nèi)，各處的成核幾率相等。由于熱力學(xué)體系的漲落現(xiàn)象，在某個(gè)瞬間，體系中某個(gè)局部區(qū)域偏離平衡態(tài)，出現(xiàn)密度漲落，這時(shí)，這個(gè)小局部區(qū)域中的原子或分子可能一時(shí)聚集起來(lái)成為新相的原子集團(tuán)（稱為胚芽）。這些胚芽在另一個(gè)瞬間可能又解體成為原始態(tài)的原子或分子。但某些滿足一定條件的胚芽可能成為晶體生長(zhǎng)的核心。如果這時(shí)有相變驅(qū)

8、動(dòng)力的作用，這些胚芽可以發(fā)展成為新的相核，進(jìn)而生長(zhǎng)成為晶體。晶核的形成存在一個(gè)臨界半徑，當(dāng)晶核半徑小于此半徑時(shí)，晶核趨于消失，只有當(dāng)其半徑大于此半徑時(shí)，晶核才穩(wěn)定地長(zhǎng)大。19非均勻成核：所謂非均勻成核，是指體系在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)，容器壁或原有晶體表面上形成的核。在此類體系中，成核幾率在空間各點(diǎn)不同。自然界中的雨雪冰雹等的形成都屬于非均勻成核。實(shí)際上，在所有物質(zhì)體系中都會(huì)發(fā)生非均勻成核。有目的地利用體系的非均勻成核，可以達(dá)到特殊的效果和作用。20溫度梯度分布對(duì)晶體