單晶制備張成智ppt課件

1、單晶制備單晶制備 張成智 單晶：比較完好晶粒構(gòu)成的資料，如：?jiǎn)尉Юw維、單晶硅。 多晶：由多個(gè)晶粒構(gòu)成的資料，其性能與晶粒大小和晶界的性質(zhì)有親密的關(guān)系。 非晶：由原子或分子長(zhǎng)程無(wú)序陳列的固態(tài)資料，如：玻璃，聚合物。準(zhǔn)晶：是20世紀(jì)80年代晶體學(xué)研討中的一次突破它是無(wú)平移同期性但有位置序的晶體，如：在急冷凝固的Al Mn合金，具有五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱但并無(wú)無(wú)平移周期性。 下面我們來(lái)著重講一下單晶2 單晶的開(kāi)展單晶的開(kāi)展隨著電子技術(shù)、激光技術(shù)和一些新型陶瓷資料的迅速開(kāi)展，在很多場(chǎng)所下需求單晶資料資料整體只需一個(gè)晶粒，內(nèi)部沒(méi)有晶界。單晶是由構(gòu)造基元原子，原子團(tuán)，離子，在三維空間內(nèi)按長(zhǎng)程有序陳列而成的固態(tài)物質(zhì)。

2、或者說(shuō)是由構(gòu)造基元在三維空間內(nèi)，呈周期陳列而成的固態(tài)物質(zhì)。如水晶，金剛石，鉆石、寶石等。3單向有序陳列決議了它具有以下特征：?jiǎn)蜗蛴行蜿惲袥Q議了它具有以下特征：4 單晶是如何做出來(lái)的呢？單晶是如何做出來(lái)的呢？ 單晶硅5 單晶的生長(zhǎng)工藝單晶的生長(zhǎng)工藝 單晶資料的制備又稱晶體生長(zhǎng)，是物質(zhì)的非晶態(tài)，多晶態(tài)，或可以構(gòu)成該物質(zhì)的反響物，經(jīng)過(guò)一定的物理或化學(xué)手段轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉螤畹倪^(guò)程。 單晶資料的制備關(guān)鍵是防止多余晶核的構(gòu)成，保證獨(dú)一晶核的長(zhǎng)大，因此，要求資料純度高，以防止非均勻形核，過(guò)冷度低以防止構(gòu)成其它晶核。 6 7 8 籽晶籽晶 說(shuō)到籽晶，我們先說(shuō)說(shuō)慣習(xí)面。慣習(xí)面：結(jié)晶通常在一定晶體學(xué)平面上構(gòu)成，這個(gè)平

3、面就是慣習(xí)面。由于結(jié)晶時(shí)為了堅(jiān)持能量最低，所以慣習(xí)面普通是晶體構(gòu)造的密排面。運(yùn)用籽晶的優(yōu)點(diǎn)：作為非均勻形核點(diǎn)，可以使相變?cè)谄渌鶆蛐魏它c(diǎn)所需求的溫度發(fā)生；可以使晶體生長(zhǎng)軸沿著與結(jié)晶軸平行的方向生長(zhǎng)。適于半導(dǎo)體單晶Si、Ge及大多數(shù)激光晶體。 910上下的轉(zhuǎn)速一樣11 在一定溫度場(chǎng)、提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度下，熔體經(jīng)過(guò)籽晶生長(zhǎng)，構(gòu)成一定尺寸的單晶。其優(yōu)點(diǎn)有：經(jīng)過(guò)精細(xì)控制溫度梯度、提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度等，可以獲得優(yōu)質(zhì)大單晶；.可以經(jīng)過(guò)工藝措施降低晶體缺陷，提高晶體完好性；經(jīng)過(guò)籽晶制備不同晶體取向的單晶；.容易控制。 提拉法的缺陷是：.由于運(yùn)用坩堝，因此，容易污染；.對(duì)于蒸氣壓高的組分，由于揮發(fā)，不容易控制

4、成分；.不適用于對(duì)于固態(tài)下有相變的晶體。1213又稱Bridgman-Stockbarger法，在下降坩堝的過(guò)程中，能精細(xì)測(cè)溫、控溫。過(guò)熱處置的熔體降到稍高于凝固溫度后，坩堝下降至低溫區(qū)，此時(shí)該部位呈多晶生長(zhǎng)，當(dāng)某一晶粒占優(yōu)勢(shì)時(shí)變?yōu)閱尉L(zhǎng)。坩堝繼續(xù)下降，晶體繼續(xù)生長(zhǎng)，直至 熔體全部進(jìn)入低溫區(qū)轉(zhuǎn)變 為晶體，晶體生長(zhǎng)終了。 最后進(jìn)展晶體退火。 這種方法操作簡(jiǎn)便，可生 長(zhǎng)很大尺寸的晶體。 其原理和提拉法一樣。14 坩堝下降法優(yōu)缺陷坩堝下降法優(yōu)缺陷 生長(zhǎng)晶體的優(yōu)點(diǎn)有： 坩堝封鎖，可消費(fèi)揮發(fā)性物質(zhì)的晶體； 成分易控制； 可生長(zhǎng)大尺寸單晶； 常用于培育籽晶。 生長(zhǎng)晶體的缺陷有： 不宜用于負(fù)膨脹系數(shù)的資料

5、； 由于坩堝作用，容易構(gòu)成應(yīng)力和污染； 不易于察看。 15又稱KyroPoulos法，過(guò)熱熔體降溫至稍高于熔點(diǎn)，將籽晶浸入熔體中使其微熔，降低爐溫或冷卻籽晶桿，使籽晶周圍熔體過(guò)冷，生長(zhǎng)晶體?？刂坪脺囟?，就能堅(jiān)持晶體不斷生長(zhǎng)。 待其到達(dá)所需尺寸時(shí)，將晶體提出液 面，停頓生長(zhǎng)。最后晶體退火。 本方法常用來(lái)生長(zhǎng)堿金屬鹵化物、 藍(lán)寶石等晶體。16 17藍(lán)寶石屬三方晶系,其晶體構(gòu)造存在兩個(gè)主要的滑移體系:底面滑移系和柱面滑移系。因此,在其生長(zhǎng)工藝中,合理地選擇溫場(chǎng)的溫度梯度和晶體生長(zhǎng)方向?qū)?duì)晶體質(zhì)量產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。建立合理的溫度梯度熱系統(tǒng)是溫度梯度的決議要素,是生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)晶體的首要條件。18 泡生法與提拉

6、法的區(qū)別泡生法與提拉法的區(qū)別 泡生法是利用溫度控制生長(zhǎng)晶體，生長(zhǎng)時(shí)只拉出晶體頭部，晶體部分依托溫度變化來(lái)生長(zhǎng)，而拉出頸部的同時(shí)，調(diào)整加熱電壓以使得熔融的原料到達(dá)最適宜的生長(zhǎng)溫度范圍。泡生法消費(fèi)出來(lái)的單晶外形不規(guī)那么。19 4、 程度區(qū)熔法程度區(qū)熔法將結(jié)晶物質(zhì)在坩堝中制成料錠；使坩堝一端移向高溫區(qū)域，構(gòu)成熔體；坩堝繼續(xù)挪動(dòng)，移出高溫區(qū)的熔體構(gòu)成晶體，移入高溫區(qū)的料錠熔化構(gòu)成熔體；坩堝另一端移出高溫區(qū)后 生長(zhǎng)終了。 本方法主要用于材 料的物理提純，也 常用于晶體生長(zhǎng)。20將多晶料棒緊靠籽晶；射頻感應(yīng)加熱，使多晶料棒接近籽晶一端構(gòu)成一個(gè)熔化區(qū)，并使籽晶微熔，熔化區(qū)靠外表張力支持而不流淌；同速向下挪動(dòng)

7、多晶料棒和晶體，相當(dāng)于熔化區(qū)向上移功，單晶逐漸長(zhǎng)大，而料棒不斷縮短，直至多晶料棒全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。21浮區(qū)法垂直區(qū)熔法也可以說(shuō)是一種垂直的區(qū)熔法。在生長(zhǎng)安裝中，在生長(zhǎng)的晶體和多晶棒之間有一段熔區(qū)，該熔區(qū)有外表張力所支持。熔區(qū)自上而下或自下而上挪動(dòng)，以完成結(jié)晶過(guò)程。浮區(qū)法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需求坩堝，也由于加熱不受坩堝熔點(diǎn)限制，可以生長(zhǎng)熔點(diǎn)極高資料。生長(zhǎng)出的晶體沿軸向有較小的組分不均勻性，在生長(zhǎng)過(guò)程中容易察看等?？梢陨L(zhǎng)搞純度的晶體。浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，熔區(qū)的穩(wěn)定是靠外表張力與重力的平衡來(lái)堅(jiān)持，因此，資料要有較大的外表張力和較小的熔態(tài)密度。浮區(qū)法對(duì)加熱技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)安裝的要求都比較嚴(yán)厲。 22 6、焰熔法、焰熔法焰熔法火焰法，Verneuil method)，是一種最簡(jiǎn)單的無(wú)坩堝生長(zhǎng)方法，十九世紀(jì)就被用來(lái)進(jìn)展寶石的生長(zhǎng)，并且，不斷到如今，其根本原理都沒(méi)有什么改動(dòng)。焰熔法主要用來(lái)生長(zhǎng)寶石氧化鋁、尖晶石、氧化鎳等高熔點(diǎn)晶體，其原理是利用氫氣和氧氣在熄滅過(guò)程中產(chǎn)生的高溫，使一種疏松的原料粉末經(jīng)過(guò)氫氧焰撒下熔融，并落在一個(gè)冷卻的結(jié)晶桿上結(jié)成單晶。23 焰熔法的優(yōu)點(diǎn)是： 不用坩堝，無(wú)坩堝污染問(wèn)題。 可以生長(zhǎng)高熔點(diǎn)氧化物晶體。 生長(zhǎng)速度快，可生長(zhǎng)較大尺寸的晶體。 設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于工業(yè)消費(fèi)。 焰熔法的缺陷是： 火焰溫度梯度大，生長(zhǎng)的晶體缺陷多。 易揮發(fā)或易被氧化的資料不宜運(yùn)用。