晶体生长方法

1、晶体生长方法1. 底部籽晶法22. 冷坩埚法33. 高温高压法44. 弧熔法85. 提拉法96. 焰熔法127. 熔剂法148. 水平区熔169. 升华法1710. 水热法生长晶体1911. 水溶液法生长晶体2112. 导向温梯法（TGT）生长蓝宝石简介221.底部籽晶法 图1 底部籽晶水冷实验装置示意图与提拉法相反，这种生长方法中坩埚上部温度高，下部温度低。将一管子处在坩埚底部，通入水或液氮使下面冷却，晶体围绕着籽晶从坩埚底部生长2.冷坩埚法图2 冷坩埚生长示意图人工合成氧化锆即采用冷坩埚法，因为氧化锆的熔点高（2700），找不到合适的坩埚材料。此时，用原料本身作为"坩埚

2、"进行生长，装置如图2所示。原料中加有引燃剂（如生长氧化锆时用的锆片），在感应线圈加热下熔融。氧化锆在低温时不导电，到达一定温度后开始导热，因此锆片附近的原料逐渐被熔化。同时最外层的原料不断被水冷套冷却保持较低温度，而处于凝固状态形成一层硬壳,起到坩埚的作用，硬壳内部的原料被熔化后随着装置往下降入低温区而冷却结晶。3.高温高压法图3 四面顶高压机(左)及六面顶高压机(右)的示意图图4 两面顶高温高压设备结构图图5 两面顶高温高压设备结构图图6 人工晶体研究院研制的6000吨压机图7 人造金刚石车间图8 六面顶高压腔及其试验件图9 钢丝缠绕高压模具图10 CVD生长金刚石薄膜的不同设计

3、图11 南非德·拜尔公司合成的金刚石薄膜窗口图12 德·拜尔公司在1991年合成的14克拉单晶钻石温高压法可以得到几万大气压，1500左右的压力和温度，是生长金刚石，立方氮化硼的方法。目前，高温高压法不但可以生长磨料级的金刚石，还可以生长克拉级的装饰性宝石金刚石。金刚石底膜可用化学气相沉积方法在常压下生长。4.弧熔法图13 弧熔法示意图料堆中插入电极，在一定的电压下点火，发出电弧。电弧放出的热量将周围的原料熔化，熔融的原料在烧结的料壳中冷却结晶，如云母就是用这种方法生长的。5.提拉法图14 提拉炉图15 炉内保温系统的剖面图图16 观察生长情况图17 提拉法生长晶体装置示意

4、图图18 提拉法生长YAG晶体提拉法，是被普遍采用的晶体生长方法。它是将原料放在铂或铱坩埚中加热熔化，在适当的温度下，将籽晶浸入液面，让熔体先在籽晶的末端生长，然后边旋转边慢慢向上提拉籽晶，晶体即从籽晶末端开始逐渐长大。目前，使用最多的激光晶体Nd:YAG就是采用此法生长的。6.焰熔法图19 焰熔法生长宝石示意图图20 焰融法生长金红石图21 金红石晶体焰熔法，又称Verneuil法，是在1890年由法国科学家Verneuil发明的，用于生长人工宝石。下图是焰熔法生长宝石装置示意图。料锤周期性地敲打装在料斗里的粉末原料，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置6处，由入口4和入口5进入的氢气氧气形成

5、氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶7上，发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长。使用此方法生长的晶体可长达1m。由于生长速度较快，利用该法生长的红宝石晶体应力较大, 只适合做手表轴承等机械性能方面。7.熔剂法图22 熔盐法生长KTP晶体装置图23 铌酸钾晶体图24 BBO晶体图25 CLBO 晶体对于熔点太高，或未到熔点即分解的晶体，采用加助熔剂的方法将其熔点降下来生长，改为熔剂法。很多非线性光学晶体。例如KN、KTP、BO、LBO等，都是用这种方法生长的。8.水平区熔图26 水平区熔法示意图水平区熔法实验装置示意图如图26所示。熔区被限制在加热器加热的狭小范围内，绝大部分的原料处于固态。

6、加热器从一端向另一端缓慢移动，熔区也缓慢移动，晶体逐渐生长。水平区熔法的主要用途在于材料的物理提纯。加热器不断地重复移动，杂质被逐渐赶到一边，原料从而得到提纯。该法的创始人是美国人Pfann，硅单晶生长初期的提纯即采用此法。9.升华法图27 升华法晶体生长示意图图28 升华法生长碳化硅图29 碳化硅芯片升华法是气相法生长晶体的一种，其装置示意图如图所示。氩气为输运介质，热端原料与掺杂剂加热后挥发，在氩气的输运下到达冷端重新结晶。升华法生长的晶体质量不高，为薄片状。10.水热法生长晶体图30 水热法生长晶体主要装置图31 杜邦公司用来生长KTP晶体的装置图32 杜邦公司用水热法生长的晶体样品水热

7、法是一种在高温高压下从过饱和水溶液中进行结晶的方法。工业化批量生长水晶即采用这种方法。晶体生长在特制的高压釜内进行，晶体原料放在高压釜底部，釜内添加溶剂。加热后上下部溶液间有一定的温度差，使之产生对流，将底部的高温饱和溶液带至低温的籽晶区形成过饱和而结晶。 美国人最初生长的KTP晶体线度约10mm，是在3000大气压、800下于内径仅38mm的高压釜内生长的。KTP晶体非线性系数大，透光波段宽，化学性质稳定，机械性能优良，是一种综合性能非常优良的非线性光学晶体。美国曾在较长时间内，将KTP晶体列为该国会控制下的军需物质，对我国实行禁运。在我国科技工作者不懈的努力下，成功的利用高温溶液

8、法生长出高光学质量、大尺寸的KTP晶体，打破了美国的垄断并返销到美国，为国家争得了荣誉11.水溶液法生长晶体图33 水浴育晶装置图34 日本大阪大学生长的KDP晶水溶液法的基本原理是将原料（溶质）溶解在水中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。图3-1为水溶液法中利用降温法生长晶体的装置，前面提及的磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（DKDP）晶体就是使用这种装置生长的。12.导向温梯法（TGT）生长蓝宝石简介导向温梯法（TGT）生长蓝宝石导向温梯法是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。他包括放置在简单钟罩式真空电阻炉内的坩埚、发热体和屏蔽装置。本装置采用钼坩埚，石墨发热体，坩埚底部中心有一籽晶，避免籽晶在化料时被熔体化掉，为了增加坩埚的稳定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内，温场由石墨发热体和冷却装置共同提供，发热体为被上下槽割