單晶材料及其制備.doc

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1、單晶材料及其制備摘要：單晶(singlecrystal)，即結晶體內部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質點在空間的排列為長程有序。單晶整個晶格是連續(xù)的，具有重要的工業(yè)應用。本文主要對單晶材料制備的幾種常見的方法進行介紹。關鍵詞：單晶材料制備1.單晶材料單晶(singlecrystal)，即結晶體內部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質點在空間的排列為長程有序。單晶是由結構基元（原子，原子團，離子），在三維空

2、間內按長程有序排列而成的固態(tài)物質。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、對稱性、最小內能和最大穩(wěn)定性。單晶材料是一種應用日益廣泛的新材料，由單獨的一個晶體組成，其衍射花樣為規(guī)則的點陣。2.單晶材料的制備單晶材料的制備也稱為晶體的生長，是將物質的非晶態(tài)、多晶態(tài)或能夠形成該物質的反應物通過一定的化學的手段轉變?yōu)閱尉У倪^程。首先將結晶的物質通過熔化或溶解方式轉變成熔體或溶液。再控制其熱力學條件生成晶相，并讓其長大。隨著晶體生長學科理論和實踐的快速發(fā)展，晶體生長手段也日新月異。單晶的制備方法通常可以分

3、為熔體生長、溶液生長和相生長等［1］。2.1熔體生長法制備單晶從熔體中生長晶體的方法是最早的研究方法，也是廣泛應用的合成方法。從熔體中生長晶體的方法主要有焰熔法、提拉法和區(qū)域熔煉法。2.1.1焰熔法［2］2.1.1.1基本原理焰熔法是從熔體中生長單晶體的方法。其原料的粉末在通過高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過程中冷卻并在籽晶上固結逐漸生長形成晶體。2.1.1.2合成過程振動器使粉料以一定的速率自上而下通過氫氧焰產生的高溫區(qū)，粉體熔化后落在籽晶上形成液層，籽晶向下移動而使液層結晶。此方法主要用于制備寶石等晶體。2.1.2提拉法［2］提拉法

4、是從熔體中生長晶體常用的方法。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60年代，提拉法進一步發(fā)展為一種更為先進的定型晶體生長方法——熔體導模法。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種截面形狀晶體的生長技術。2.1.2.1提拉法的基本原理提拉法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。2.1.2.2工藝流程2.1.2.2.1同成分的結晶物質熔化，但不分解，不與周圍反應。2.1.2.

5、2.2預熱籽晶，旋轉著下降后，與熔體液面接觸，待熔后，緩慢向上提拉。2.1.2.2.3降低坩堝溫度或熔體溫度梯度，不斷提拉籽晶，使其籽晶變大。2.1.2.2.4等徑生長：保持合適的溫度梯度與提拉速度，使晶體等徑生長。2.1.2.2.5收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。2.1.2.2.6退火處理晶體。2.1.3區(qū)域熔煉法［3］區(qū)熔法顯著的特點是不用坩堝盛裝熔融硅，而是在高頻電磁場作用下依靠硅的表面張力和電磁力支撐局部熔化的硅液，因此區(qū)熔法又稱為懸浮區(qū)熔法。區(qū)域熔化提純法的最大優(yōu)點是

6、其能源消耗比傳統(tǒng)方法減少60%以上，最大的缺點是難以達到高純度的電子級多晶硅的要求。2.1.3.1區(qū)域熔煉法基本原理在進行區(qū)域熔煉過程中，物質的固相和液相在密度差的驅動下，物質會發(fā)生輸運。因此，通過區(qū)域熔煉可以控制或重新分配存在于原料中的可溶性雜質或相。利用一個或數(shù)個熔區(qū)在同一方向上重復通過原料燒結以除去有害雜質；利用區(qū)域熔煉過程有效地消除分凝效應，也可將所期望的雜質均勻地摻入到晶體中去，并在一定程度上控制和消除位錯、包裹體等結構缺陷。2.1.3.2浮區(qū)熔煉法的工藝條件［2］把原料先燒結或壓制成棒狀，然后用兩個卡盤將兩端固定好。將燒結棒垂

7、直地置入保溫管內，旋轉并下降燒結棒(或移動加熱器)。燒結棒經過加熱區(qū)，使材料局部熔化。熔融區(qū)僅靠熔體表面張力支撐。當燒結棒緩慢離開加熱區(qū)時，熔體逐漸緩慢冷卻并發(fā)生重結晶，形成單晶體。2.2從液體中生長單晶體由兩種或兩種以上的物質組成的均勻混合物稱為溶液，溶液由溶劑和溶質組成。合成晶體所采用的溶液包括：常溫溶液（如水溶液、有機溶液、凝膠溶液等）、高溫溶液（即熔鹽）等。2.2.1常溫溶液法晶體生長以水、重水或液態(tài)有機物作溶劑的溶液中，可生長完整均勻的大尺寸單晶體。2.2.1.1基本原理2.2.1.1.1晶體生長的必要條件：一定溫度條件下，溶液

8、的濃度大于該溫度下的平衡濃度（即飽和濃度）稱過飽和，其大于的程度稱過飽和度，它是溶液法晶體生長的驅動力。2.2.1.1.2晶體生長的充分條件：把溶液的過飽和狀態(tài)控制在亞穩(wěn)定區(qū)內，避免進入不穩(wěn)定