单晶生长方法介绍

1、单晶生长方法介绍第1页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二原理：在一定温度的溶液中置入晶核，搅拌下降温，最后长成单晶。特点：设备简单成本低 安全 晶体形状不易控制主要仪器设备： 温控装置 搅拌装置 擎晶装置或晶核 育晶器晶核晶体生长的基础，例如：蜂蜜结晶、冬天结 冰。搅拌有利于提高晶体的完整性和规整性。第2页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二降温法制备单晶装置示意图 水浴育晶装置擎晶杆 2. 晶体 3.转动密封装置 4. 浸没式加热器 5. 搅拌器 6. 控制器 7. 温度计 8. 育晶器 9. 有孔隔板 10. 水槽第3页，共56页，2022年，5月

2、20日，17点52分，星期二2、蒸发法生长单晶 属于溶液法，适合实验室制备单晶。原理：将置有晶核的高温液体体系，在蒸发冷却器的作用下冷却，获得单晶。特点：较简单 成本较普通降温法高 可制备规则单晶主要仪器：擎晶装置 蒸发冷却器（可组装）种类很多，原理和作用是利用液体蒸发产生的温降使晶体生长，液体称为载冷剂，有水、醇类等。第4页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二蒸发法育晶装置底部加热器 晶体 冷凝器冷却水 虹吸管量筒 接触控制器温度计 水封蒸发法制备单晶示意图第5页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二3 、水热合成法原理： 用高温高压的溶液将溶质溶解，降

3、温，溶液 过饱和后使溶 质析出，长成单晶。 水的作用：转递压力，提高原料溶解度 1928年，德国的科学家理查德纳肯（Richard Nacken）创立。主要用来生产水晶和大多数矿物。特点： 1、高温和高压可使通常难溶或不溶的固体溶解和重结晶。 2、晶体在非受限条件下生长，晶体形态各异、大小不受限制、结晶完好。 3、适合制备高温高压下不稳定的物相 4、水处在密闭体系中，并处于高于沸点的温度，体系处在高 压状态。第6页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二材料温度/压强/GPa矿化剂Al2O3 4500.2Na2CO3Al2O35000.4K2CO3ZrO26006500.17K

4、FTiO26000.2NH4FGeO25000.4CdS5000.13许多工业上重要的单晶都可通过水热法生长。第7页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二水热反应釜 主要仪器：水热反应釜水热法生长晶体示意图水热法生长晶体装置第8页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二* 石英单晶的用途： 雷达、声纳仪、 压电传感器、X-射线单色器 * 制备条件： 0.1M NaOH 介质 釜内工作压力130165MPa多晶原料NaOH溶液 （0.1M ）籽晶热端400C冷端360C水热法制备石英单晶 例：水热合成法制备石英单晶水热法生长的石英单晶 第9页，共56页，2022

5、年，5月20日，17点52分，星期二4 、高温溶液法（助熔剂法）生长晶体原理：高温下、加入助熔剂将多晶溶质溶解，然后降温，生长单晶。最早1890年，红宝石合成，但是颗粒太小。特点 1、适用性强 2、特别适用于难熔化合物和在熔点极易挥发、高温 有相变、非同成分熔融化合物 3、晶体生长慢，有少量杂质缺陷 4、比较容易得到大的晶体 5、液相的存在利于晶体的生长，故没有太多的晶核，更 有利于生成单晶 6、可以降低单晶生长的温度第10页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二用于生产磷酸氧钛钾 (KTP)具有大的非线性系数，大的容许温度和容许角度，激光损伤阈值较高，化学性质稳定，不潮解，

6、机械强度适中，倍频转化效率高达70以上等特性，是中小功率固体绿光激光器的最好倍频材料。主要性能：透过波段： 0.354.5m电光系数： 33=36Pm/V折射率： nx=1.7377,ny=1.7453,nz=1.82971064nm激光损伤阈值： 2.2GW/cm21064 nm 非线性光学系数： d33=13.7Pm/V倍频转化效率： 4570%第11页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二应用范围：用于各种固体激光系统，特别是Nd : YAG 激光器的倍频和光参量振荡，集成光学的波导器件。第12页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二从冷却工艺上又可分

7、缓冷法(缓慢冷却法)溶剂蒸发法（缓慢蒸发法）温差法助熔剂反应法叫法也改变了，如助熔剂缓冷法、助熔剂蒸发法等。第13页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二例：助熔剂法生长MgAl2O4单晶 缓慢蒸发法制备MgAl2O4 (助熔剂法缓慢蒸发法)原料： MgO 80.6 g (15.7 mol%) Al2O3 204.0 g (15.7 mol%)助熔剂：PbF2 2100 g (67.4 mol%) B2O3 10.0 g (1.0 mol%)条件：铂坩埚，盖上开一个小孔 8h内缓慢加热到1250 C 10 15 d内缓慢蒸发完 用稀HNO3 洗去助熔剂 结果：晶体直径为10m

8、m第14页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二缓慢降温法制备Y3Al5O12 (YAG) (助熔剂法缓慢降温法)原料： Y2O3 3.4 mol% 、 Al2O3 7.0 mol%助熔剂：PbO 41.5 mole%、PbF2 48.1 mol%条件： 1150 C 24 h 4 C/h 降温750 C 用稀HNO3 洗去助熔剂 结果： 晶体直径 3 13mm 1 1.5 g 收率 60 70 % 第15页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二5 溶胶凝胶法(Sol-gel )原理：以金属纯盐为原料，使其与有机溶剂混合发生水解聚合反应，生成透明凝胶。单晶在

9、凝胶中生长。特点：晶体在柔软而多孔的凝胶骨架中生长，有自由发育的适宜条件晶体在静止环境中生长，有利于提高晶体结果的完整性设备简单难以长出大晶体第16页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二按晶体生长的反应类型复分解化学反应络合分解法氧化还原法溶解度降低法第17页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二凝胶法生长CaWO4单晶示意图烧杯双管育晶装置Ca(NO3)2溶液Na2WO4溶液蒸馏水凝胶CaWO4晶体第18页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 1-5均属于溶液法 溶液法特点： 晶体可以在远低于熔点的温度下生长，避免了 分解、晶型转变。

10、 容易生成大的均匀性良好的晶体 直接观察，为研究晶体形态和晶体生长动力学 提供方便。 时间长，温度要求高，组分复杂（是缺点）第19页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二溶液法水热法合成石英水晶 石英(水晶)有许多重要性质，它广泛地应用于国防、电子、通讯。冶金、化学等部门。石英有正、逆压电效应。压电石英大量用来制造各种谐振器、滤波器、超声波发生器等。 石英谐振器是无线电子设备中非常关键的一个元件，它具有高度的稳定性（即受温度、时间和其它外界因素的影响极小），敏锐的选择性(即从许多信号与干扰中把有用的信号选出来的能力很强) ，灵敏性(即微弱信号响应能力强)，相当宽的频率范围(从

11、几百赫到几兆频)，人造地球卫星、导弹、飞机，电子算机等均需石英谐振器才能正常工作。 第20页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 石英滤波器具有比一般电感电容做的滤波器体积小，成本低，质量好等特点。在有线电通讯中用石英滤波器安装各种载波装置，在载波多路通讯装置（载波电话、载波电视等）的一根导线上可以同时使用几对、几百对、甚至几千对电话而互不干扰。使用石英的可透过红外线、紫外线和具有旋光性等特点，在化学仪器上可做各种光学镜头，光谱仪透镜等。第21页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 1）溶液法水热法合成石英的装置 高压釜的密封结构采用“自紧式”装置。自紧

12、式高压釜的密封结构水热法合成石英的装置结晶区温度为330350；溶解区温度为360380 ；压强为0.10.16GPa；矿化剂为1.01.2mol/L 浓度的NaOH，添加剂为LiF、LiNO3或者Li2CO3 。 培养石英的原料放在高压釜较热的底部，籽晶悬挂在温度较低的上部，高压釜内填装一定程度的溶剂介质。第22页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 2）石英的生长机制 高温高压下，石英的生长过程分为：培养基中石英的溶解、溶解的SiO2向籽晶上生长两个过程。 而石英的溶解与温度关系密切，符合Arrhenius方程： lgS = -H/2.303RT 式中， S溶解度；H溶

13、解热；T热力学 温度； R摩尔气体常数，负号表示过程为吸热反应。第23页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 实验发现，由于石英的溶解，溶液的电导率下降大，表明溶液中 OH离子和Na离子明显减少。这就说 明，OH离子和Na离子参与了石英溶 解反应。 有人认为，石英在NaOH溶液中的化学反应生成物以Si3O72-为主要形式，而在Na2CO3溶液中则以SiO32- 为主要形式。它是氢氧离子和碱金属与石英表面没有补偿电荷的硅离子和氧离子等起化学反应的结果。故，石英在NaOH溶液中的溶解反应可用下式表示: SiO2(石英) + (2x-4)NaOH = Na(2x-4)SOx +

14、(x-2) H2O 式中x2。在接近石英培育的条件下，测得的x值约在7/3和5/2之间，这意味着反应产物应当是Na2Si2O5、Na2Si3O7以及它们的电离和水解产物。而Na2Si2O5和Na2Si3O7经电离和水解，在溶液中产生大量的NaSi2O5-和NaSi3O7-。第24页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 因此，石英的人工合成含下述两个过程： 溶质离子的活化 NaSi3O7 + H2O Si3O6 + Na+ + 2OH NaSi3O5 + H2O Si2O4 + Na+ + 2OH 活化了的离子受生长体表面活性中心的吸引(静电引 力、化学引力和范德华引力)，穿

15、过生长表面的扩散 层而沉降到石英体表面。 关于水晶晶面的活化，有不同的观点，有人以为是由 于晶面的羟基所致，所以产生如下反应，形成新的晶胞层： Si-OH + (Si-O)- Si-O-Si + OH-第25页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二3）影响石英晶体生长的因素 单晶生长速率的影响因素： 温度、温差、溶液过饱和度 在一定温差条件下，晶体的生长速率(mmd为单位)的对数与生长区的温度的倒数呈线性关系。 在一定的生长温度下，溶解区与生长区的温差越大，晶体生长得越快，基本呈线性关系。但在实际晶体生长过程中，晶体生长不能太快，否则晶体 质量会明显下降。 压强是高压釜内的原

16、始填充度、温度和温差的函数。提高压强会提高生长速率，这实际上是通过其它参数（溶解度和质量交换等情况）来体现的。在温度较低时，填充度与生长速率呈线性关系，在温度较高时线性关系被破坏。 在高温下，相应地提高填充度和溶液碱浓度可以提高晶体的完整性。第26页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二提拉法生长单晶特点： 1、从同组成的熔体中生长单晶的主要方法。 2、广泛用于生长Si、Ge、Ga、As等半导体单晶材料 3、为防止物料中As、P等的损失，反应经常在高压、惰性气氛中进行。 4、生长过程中可以方便的观察晶体的生长状况。 5、熔体表面生长单晶，不与坩埚接触，能显著减少晶体的应力，并

17、防止埚壁的寄生成核。 6、可以方便的使用定向籽晶和“缩颈”工艺 7、生长过程易控制，速度快，易于得到大尺寸和高质量 的单晶第27页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二按晶体走向和提拉方法的不同，又可分双坩埚法微重力法磁场提拉法生产硅单晶液封提拉法生产GaAs单晶导模提拉法生产宝石、LiNBO3单晶自动提拉法生产单晶、YAG等氧化物单晶第28页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二主要设备 加热源 温控设备（有梯度） 盛放熔体设备 旋转和提拉设备 气氛控制设备 或者 单晶炉及其配件第29页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二丘克拉斯基法生

18、长单晶用设备第30页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二制备过程1、原料合成 制取高纯度的原料块（制备高质量的单晶原料，高纯很重要）。天平准确称量所需的原料，放入洁净的料罐充分混匀，等静压成料块。2、温场设计 温场指温度在空间的分布。生长单晶体很重要的条件就是合适的温度场。该温度场设计包括轴向温度梯度和径向温度梯度。轴向温度梯度设计时要求固液界面处有较大的温度梯度，而以上有较小的温度梯度（防止开裂、应力，并降低位错密度）。径向温场对称，使籽晶在生长点外其它条件自发成核的几率为零。 注意：不同单晶温场要求不同，因此，要实验、验证， 具体实验具体设计。第31页，共56页，202

19、2年，5月20日，17点52分，星期二3、物料熔融将装料的坩埚（或料罐）在温度场中加热直至熔融加热方式：电阻加热、感应加热电阻加热法：用石墨、钨等对盛有原材料的坩埚加热，也可以做成复杂的加热器，起到盛料和加热的两个目的。该法特点是成本低、可以使用大电流、低电压电源。感应加热法：利用中频或高频交流电通过线圈时产生的交流电磁场，置于线圈内的铱（ Ir）或白金（ Pt）坩埚中产生涡流发热，从而融化坩埚内的原材料。特点是可提供较干净的生长环境，能快速改变参数而进行精密控制，但成本费用高。第32页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二坩埚：常用材料有铂、铱、钼、石英等。坩埚材料要满足：

20、1、能承受所需的工作温度，熔点比工作温度高出 2002、不污染熔体，不与生长气氛和周围的绝缘材料反应3、有良好的抗热震和机械加工性能后热器 走在坩埚上方，晶体生长出来后要经过后热器，作用是调节晶体和熔体中的温度差异，一般用氧化锆做成圆筒。第33页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二4、下籽晶 物料熔融后，保温一段时间，使其充分均匀，然后缓慢降温， 在熔点附近开始下籽晶，待籽晶边缘微溶时，继续按一定速度 降温（称为“接晶”），晶体将根据籽晶的方向和晶格排列生长。5、提拉生长单晶 晶体一定的速度转动并得以提拉。 转动作用：搅拌熔体，产生强制对流 转动速率对生长过程的影响：增加温

21、场的径向对称性。改变界面的形状。改变界面附近的温度梯度。在自然对流占优势的范围内增加转速，温度梯度往往增大；改变转速使强制对流占优势，温度梯度往往减小。改变液流的稳定性。增大转速，液流的热不稳定性增大拉速与：材料性质、籽晶取向、掺杂粒子的浓度、杂质在基质中的分凝情况 有关。导热率高、不掺杂、分凝系数接近于1的晶体生长速度块。如：Nd3+:YAG晶体的生长参数为：转速1520r/min，提拉速度0.6mm/h。第34页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二6、缩颈 结晶完成后，稍微升温一段时间，使籽晶直径收缩，称为缩颈。缩颈目的：减少位错的继续向下延伸。 经过多次缩颈，可得无位

22、错单晶。第35页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二7、等径与收尾 等径生长获得高质量单晶。 收尾：提高温度，使得晶体直径收缩至5mm，再迅速降温、停止转动，形成一层硬壳，再缓慢降低到室温。8、退火处理，消除晶体内部的热应力第36页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二提拉法示意图坩埚绝热层原料熔体单晶晶种提拉加热第37页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 Y3Al5O12:Nd 原料： Y2O3，Nd2O3 ，Al2O3 340 400 g 加热条件： 200kHz, 10kW 高频炉 条件： 1970 C3 C 提拉速度： 1.2

23、 1.6 mm / h 旋转速率: 40 50 r/min 结果： d = 16mm l = 110mm 单晶硅单晶Nd:YAG 提拉炉炉膛 例：提拉法(Czochraski 法) 制备Nd:YAG (掺钕石榴石，激光晶体)第38页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 Stickbarger and Bridgman 坩埚移动法原理：控制熔体的过冷度，实现定向凝固来生长单晶。 又可以称为B-S法，分为Bridgman法：布里奇曼法，是将熔体放在本身具有确定的温度 梯度的熔炉之内，使熔炉的整体温度慢慢冷却，熔体 开始在冷端凝固。 Stockbarger：斯托克巴格法，使熔体运

24、动，经过一个温度梯度来 完成结晶，最后单晶体在冷端析出。在此方法中， 熔体相对于温度梯度移动。 这两种方法中都使用籽晶，而且还要控制反应气氛。7 定向凝固法第39页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 单晶生成定向凝固法Stockbarger法Bridgman法，t1、t2、t3表示温度第40页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二技术关键： 实现大的过冷度和大的温度梯度关键设备 坩埚、热梯度实现装置、程序控温设备、坩埚移动设备定向凝固法生长的单晶高熔点的金属单晶，如Cu半导体单晶，如Bi、PbSe、PbTe、GaAs、AgGaSe2卤化物以及碱土金属卤化

25、物构成的低熔点非金属单晶，如Cr、Mn、Co、Ni、Zn、La、Tb、Ca的氟化物单晶第41页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 （1）原理： 局部加热使物料熔融，移动加热带，熔化部分开始结晶。在多晶物料的一端放置籽晶，就会以籽晶方向生长单晶，直至物料全部转化为单晶。 （2）特点： 1 适合由多晶制备单晶 2 单晶生长的过程也是物理提纯的过程（由于杂质在晶体和熔体中的分配系数的差别，晶体中小很多）。 3 常用来制备用于大功率晶闸管的单晶硅 4 可用于高熔点金属如钨的提纯和晶体生长8、区域熔融法第42页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二（3）分类（按晶

26、体生长方向分）水平区域熔化 由左向右，料舟水平放置，籽晶开始置于料舟最左端，部分熔化后右移。晶体由左向右生长。悬浮区域熔化 从下往上，料舟垂直方向，籽晶开始置于最下端，部分熔化后上长，而熔化液靠表面张力支持不至于落下。晶体由下向上生长。第43页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二区域熔融法制备单晶示意图第44页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二区域熔化的结构示意第45页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二9 、火焰熔化法（Verneuil，维尔纳叶） 原理： 利用氢氧焰产生的高温，将高熔点材料熔化，滴落在籽晶上，逐渐长成单晶。最早用

27、于红宝石的制备（最早1890年，助溶剂法红宝石合成，但是颗粒太小，维尔纳叶发明了焰熔法。 ）。适合用纯的高熔点材料制备单晶第46页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 火焰熔化法制备单晶示意图第47页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 Schafer于1971年提出，被认为是一种有潜在价值的合成方法。可用于新化合物合成、单晶生长和化合物的提纯。10、气相输运法第48页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 其设备由一根石英管组成，在一端装有反物（固体），石英管在抽真空下熔封或（更常见的是）充以气相输运剂的气体后熔封，管子在炉内，使管子沿管长方向保持50左右的温度梯度，物质和反应生成气态物质AB，它在管的另一端分解沉积出单晶体A。原理第49页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二气相输运法生长单晶示意图T1T2A(s) + B(g) AB(g) A(s)+B(g)第50页，共56页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 此法取决于和及气相产物AB之间的可逆平衡，如果AB的生成是吸热反应，那么AB优先在温度T2（热端）生成，气态AB被运输到了冷端，并在T1温度下分解产生晶体；相反，如果AB的生成是