材料常用制备方法

材料常用制材料常用制备备方法方法 一一 晶体生长技术 1 熔体生长法 melt growth method 将欲生长晶体的原料熔化 然后让熔体达到一定的 过冷而形成单晶 1 1 提拉法 特点 a 可以在短时间内生长大而无错位晶体 b 生长速度快 单晶质量好 c 适合于大尺寸完美晶体的批量生产 1 2 坩埚下降法 特点 装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场 开始时整个物料熔融 当坩 埚下降通过熔点时 熔体结晶 随坩埚的移动 固液界面不断沿坩埚平移 至熔 体全部结晶 1 3 区熔法 特点 a 狭窄的加热体在多晶原料棒上移动 在加热体所处区域 原料变成熔体 该熔体 在加热器移开后因温度下降而形成单晶 b 随着加热体的移动 整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程 最后形成单 晶棒 c 有时也会固定加热器而移动原料棒 1 4 焰熔法 特点 a 能生长出很大的晶体 长达 1m b 适用于制备高熔点的氧化物 c 缺点是生长的晶体内应力很大 1 5 液相外延法 优点 a 生长设备比较简单 b 生长速率快 c 外延材料纯度比较高 d 掺杂剂选择范围较广泛 e 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低 f 成分和厚度都可以比较精确的控制 重复性好 操作安全 缺点 a 当外延层与衬底的晶格失配大于 1 时生长困难 b 由于生长速率较快 难得到纳米厚度的外延材料 c 外延层的表面形貌一般不如气相外延的好 2 溶液生长法 solution growth method 使溶液达到过饱和的状态而结晶 2 1 水溶液法 原理 通过控制合适的降温速度 使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度 从而结晶 2 2 水热法 Hydrothermal Method 特点 a 在高压釜中 通过对反应体系加热加压 或自生蒸汽压 创造一个相对高温高 压的反应环境 使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和 进而析出晶体 b 利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长 从而避免了晶体相变引起的物 理缺陷 2 3 高温溶液生长法 熔盐法 特点 a 使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂 b 常用溶剂 液态金属 液态 Ga 溶解 As Pb Sn 或 Zn 溶解 S Ge GaAs KF 溶解 BaTiO3 Na2B4O7 溶解 Fe2O3 c 典型温度在 1000 C 左右 d 利用这些无机溶剂有效地降低溶质的熔点 能生长其他方法不易制备的高熔点 化合物 如钛酸钡 BaTiO3 二 气相沉积法 1 物理气相沉积法 PVD Physical Vapor Deposition 1 1 真空蒸镀 Evaporation Deposition 特点 a 真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面 b 常用镀膜技术之一 c 用于电容器 光学薄膜 塑料等的镀膜 d 具有较高的沉积速率 可镀制单质和不易热分解的化合物膜 分类 电阻加热法 电子轰击法 1 2 阴极溅射法 溅镀 Sputtering Deposition 原理 利用高能粒子轰击固体表面 靶材 使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸 出表面 然后在基片 工件 的表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜 分类 二极直流溅射 Bipolar Sputtering 高频溅镀 RF Sputtering 磁控溅镀 magnetron sputtering 1 3 离子镀 ion plating 特点 a 附着力好 溅镀的特点 b 高沉积速率 蒸镀的特点 c 绕射性 d 良好的耐磨性 耐磨擦性 耐腐蚀性 2 化学气相沉积法 CVD Chemical Vapor Deposition 按反按反应应能源 能源 2 1 Thermal CVD 特点 a 利用热能引发化学反应 b 反应温度通常高达 800 2000 c 加热方式 电阻加热器 高频感应 热辐射 热板加热器 2 2 Plasma Enhanced CVD PECVD 优点 a 工件的温度较低 可消除应力 b 同时其反应速率较高 缺点 a 无法沉积高纯度的材料 b 反应产生的气体不易脱附 c 等离子体和生长的镀膜相互作用可能会影响生长速率 2 3 Photo CVD 特点 a 利用光能使分子中的化学键断裂而发生化学反应 沉积出特定薄膜 b 缺点是沉积速率慢 因而其应用受到限制 按气体按气体压压力 力 2 1 常压化学气相沉积法 APCVD Atmospheric Pressure CVD 特点 a 常压下进行沉积 b 扩散控制 c 沉淀速度快 d 易产生微粒 e 设备简单 2 2 低压化学气相沉积法 LPCVD Low Pressure CVD 特点 a 沉积压力低于 100torr b 表面反应控制 c 可以沉积出均匀的 步覆盖能力较佳的 质量较好的薄膜 d 沉淀速度较慢 e 需低压设备 三 溶胶 凝胶法 Sol Gel Process 通过凝胶前驱体的水解缩合制备金属氧化物材料的湿化 学方法 优点 a 易获得分子水平的均匀性 b 容易实现分子水平上的均匀掺杂 c 制备温度较低 d 选择合适的条件可以制备各种新型材料 缺点 a 原料价格比较昂贵 b 通常整个溶胶 凝胶过程所需时间较长 常需要几天或儿几周 c 凝胶中存在大量微孔 在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物 并产生收 缩 四 液相沉淀法 liquid phase precipitation 在原料溶液中添加适当的沉淀剂 从而形成 沉淀物 1 直接沉淀法 Direct precipitation 特点 a 操作简单易行 对设备技术要求不高 不易引入杂质 产品纯度很高 有良好的 化学计量性 成本较低 b 洗涤原溶液中的阴离子较难 得到的粒子粒径分布较宽 分散性较差 2 共沉淀法 Coprecipitation 特点 a 可避免引入对材料性能不利的有害杂质 b 生成的粉末具有较高的化学均匀性 粒度较细 颗粒尺寸分布较窄且具有一定 形貌 c 设备简单 便于工业化生产 3 均匀沉淀法 Homogeneous precipitation 特点 a 沉淀剂由化学反应缓慢地生成 b 避免沉淀剂浓度不均匀 c 可获得粒子均匀 夹带少 纯度高的超细粒子 d 沉淀剂 尿素 合成氧化物 碳酸盐 硫代乙酰胺 合成硫化物 硫代硫酸盐 合成硫化物 五 固相反应 Solid phase reaction 分类 按反按反应应物物质质状状态态分分类类 a 纯固相反应 b 有气体参与的反应 气固相反应 c 有液相参与的反应 液固相反应 d 有气体和液体参与的三相反应 气液固相反应 按反按反应应机理分机理分类类 a 扩散控制过程 b 化学反应速度控制过程 c 晶核成核速率控制过程 d 升华控制过程等等 按反按反应应性性质质分分类类 a 氧化反应 b 还原反应 c 加成反应 d 置换反应 e 分解反应 特点 a 固态直接参与化学反应 b 固态反应一般包括相界面上的反应和物质迁移两个过程 反应物浓度对反应的 影响很小 均相反应动力学不适用 c 反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔温度 这一温度与反应物内 部开始呈现明显扩散作用的温度相一致 常称为泰曼温度或烧结开始温度 六 插层法和反插层法 Intercalation and deintercalation 1 插层法 或植入法 把一些新原子导入晶体材料的空位 2 反插层法 或提取法 有选择性地从晶体材料中移去某些原子 特点 a 起始相与产物的三维结构具有高度相似性 b 产物相对于起始相其性质往往发生显著变化 七 自蔓延高温合成法 SHS Self Propagating High Temperature Synthesis 利用反应物之间 的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术 特点 a 生产工艺简单 反应迅速 生产过程时间短 b 最大限度利用材料人工合成中的化学能 节约能源 c 合成反应温度高 可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品 d 合成过程经历了极大的温度梯度 生成物中可能出现