晶體定向生長(zhǎng)

主要符號(hào)表

第1章 晶體生長(zhǎng)的基本原理

1.1 相圖與凝固

1.2 晶體的形核

1.3 晶體的生長(zhǎng)

第2章 晶體定向生長(zhǎng)的傳熱與傳質(zhì)

2.1 晶體生長(zhǎng)過(guò)程的熱量傳遞

2.2 晶體生長(zhǎng)過(guò)程的質(zhì)量傳遞

第3章 晶體定向生長(zhǎng)及控制

3.1 晶體定向生長(zhǎng)過(guò)程

3.2 晶體定向生長(zhǎng)方法

第4章 晶體定向生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展

4.1 電渣感應(yīng)連續(xù)定向生長(zhǎng)

4.2 電磁約束成形定向生長(zhǎng)

4.3 深過(guò)冷晶體定向生長(zhǎng)

本書(shū)結(jié)合晶體定向生長(zhǎng)的基本理論，在參考目前國(guó)內(nèi)外晶體定向生長(zhǎng)及控制方面研究工作的基礎(chǔ)上較全面地介紹了晶體定向生長(zhǎng)的理論和實(shí)踐。全書(shū)共分為5章，前2章系統(tǒng)介紹了晶體定向生長(zhǎng)方面的基本理論和知識(shí)；第3章介紹晶體定向生長(zhǎng)的過(guò)程及控制技術(shù)；第4章介紹晶體定向生長(zhǎng)技術(shù)的最新發(fā)展及其應(yīng)用情況；第5章扼要介紹幾種采用定向生長(zhǎng)方式制備金屬單晶的技術(shù)和應(yīng)用情況。

一般可用升華、化學(xué)氣相輸運(yùn)等過(guò)程來(lái)生長(zhǎng)晶體。

晶體生長(zhǎng)技術(shù)升華法

這是指固體在升高溫度后直接變成氣相，而氣相到達(dá)低溫區(qū)又直接凝成晶體，整個(gè)過(guò)程不經(jīng)過(guò)液態(tài)的晶體生長(zhǎng)方式。有些元素砷、磷及化合物ZnS、CdS等,可以應(yīng)用升華法而得到單晶。

晶體生長(zhǎng)技術(shù)化學(xué)氣相輸運(yùn)

這種生長(zhǎng)晶體的技術(shù)是指固體材料通過(guò)輸運(yùn)劑的化學(xué)反應(yīng)生成了有揮發(fā)性的化合物：

固體 輸運(yùn)劑匑揮發(fā)性的化合物

如把所產(chǎn)生的化合物作為材料源，通過(guò)揮發(fā)和淀積的可逆過(guò)程，并加以控制，晶體就可以在一定區(qū)域或基片上生長(zhǎng)出來(lái)。這種技術(shù)叫化學(xué)氣相輸運(yùn)。典型的鎳的提純過(guò)程就是化學(xué)輸運(yùn)過(guò)程。

晶體成長(zhǎng)1.擴(kuò)散控制機(jī)理

從溶液相中生長(zhǎng)出晶體,首要的問(wèn)題是溶質(zhì)必須從過(guò)飽和溶液中運(yùn)送到晶體表面,并按照晶體結(jié)構(gòu)重排。若這種運(yùn)送受速率控制,則擴(kuò)散和對(duì)流將會(huì)起重要作用。當(dāng)晶體粒度不大于10μm 時(shí),在正常重力場(chǎng)或攪拌速率很低的情況下,晶體的生長(zhǎng)機(jī)理為擴(kuò)散控制機(jī)理。

晶體成長(zhǎng)2.成核控制機(jī)理

在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,成核控制遠(yuǎn)不如擴(kuò)散控制那么常見(jiàn)。但對(duì)于很小的晶體,可能不存在位錯(cuò)或其它缺陷,生長(zhǎng)是由分子或離子一層一層地沉積而得以實(shí)施,各層均由離子、分子或低聚合度的基團(tuán)沉積所成的“排”所組成,因此,對(duì)于成核控制的晶體生長(zhǎng),成核速率可看作是晶體生長(zhǎng)速率。

當(dāng)晶體的某一層長(zhǎng)到足夠大且達(dá)到一定邊界時(shí),由于來(lái)自溶液中的離子在完整表面上不能找到有效吸附點(diǎn)而使晶體的生長(zhǎng)停止,單個(gè)表面晶核和溶液之間達(dá)成不穩(wěn)定狀態(tài)。

晶體成長(zhǎng)3.位錯(cuò)控制機(jī)理

當(dāng)溶液的飽和比小于2 時(shí),表面成核速率極低,如果每個(gè)表面晶核只能形成一個(gè)分子層,則晶體生長(zhǎng)的實(shí)際速率只能是零。事實(shí)上,很多實(shí)驗(yàn)表明,即使在S = 1.01 的低飽和比條件下,晶體都能很容易地進(jìn)行生長(zhǎng),這不可能用表面成核機(jī)理來(lái)解釋。1949 年指出,在這種情況下晶體的生長(zhǎng)是由于表面繞著一個(gè)螺旋位錯(cuò)進(jìn)行的纏繞生長(zhǎng),螺旋生長(zhǎng)的勢(shì)能可能要比表面成核生長(zhǎng)的勢(shì)能大,但是,表面成核一旦達(dá)到層的邊界就會(huì)失去活性,而螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)卻可生長(zhǎng)出成百萬(wàn)的層。由于層錯(cuò)過(guò)程中,原子面位移距離不同,可產(chǎn)生不同類(lèi)型的臺(tái)階。臺(tái)階的高度小于面間距,被稱為亞臺(tái)階;高度等于面間距的臺(tái)階則稱為全臺(tái)階。這兩類(lèi)臺(tái)階都能成為晶體生長(zhǎng)中永不消失的臺(tái)階源。

晶體成長(zhǎng)4.綜合控制機(jī)理

晶體生長(zhǎng)事實(shí)上是極為復(fù)雜的過(guò)程,特別是自溶液中的生長(zhǎng),一般情況下,控制晶體生長(zhǎng)的機(jī)理都不止一種,而是由單核層機(jī)理、多核層機(jī)理和擴(kuò)散控制生長(zhǎng)機(jī)理的綜合作用,控制著晶體的生長(zhǎng)。

此法可以根據(jù)溶劑而定。廣泛的溶液生長(zhǎng)包括水溶液、有機(jī)和其他無(wú)機(jī)溶液、熔鹽和在水熱條件下的溶液等。最普通的是由水溶液中生長(zhǎng)晶體。從溶液中生長(zhǎng)晶體的主要原理是使溶液達(dá)到過(guò)飽和的狀態(tài)而結(jié)晶。最普通的有下述兩個(gè)途徑：①根據(jù)溶液的溶解度曲線的特點(diǎn)升高或降低其溫度；②采用蒸發(fā)等辦法移去溶劑,使溶液濃度增高。當(dāng)然也還有其他一些途徑,如利用某些物質(zhì)的穩(wěn)定相和亞穩(wěn)相的溶解度差別，控制一定的溫度，使亞穩(wěn)相不斷地溶解，穩(wěn)定相不斷地生長(zhǎng)等。

晶體生長(zhǎng)技術(shù)水溶液法

一般由水溶液中生長(zhǎng)晶體需要一個(gè)水浴育晶裝置，它包括一個(gè)既保證密封又能自轉(zhuǎn)的掣晶桿使結(jié)晶界面周?chē)娜芤撼煞帜鼙３志鶆?，在育晶器?nèi)裝有溶液，它由水浴中水的溫度來(lái)嚴(yán)格控制其溫度并達(dá)到結(jié)晶。掌握合適的降溫速度，使溶液處于亞穩(wěn)態(tài)并維持適宜的過(guò)飽和度是非常必要的。

對(duì)于具有負(fù)溫度系數(shù)或其溶解度溫度系數(shù)較小的材料，可以使溶液保持恒溫，并且不斷地從育晶器中移去溶劑而使晶體生長(zhǎng)，采用這種辦法結(jié)晶的叫蒸發(fā)法。很多功能晶體如磷酸二氫鉀、β 碘酸鋰等均由水溶液法生長(zhǎng)而得。

晶體生長(zhǎng)技術(shù)水熱法

在高溫高壓下，通過(guò)各種堿性或酸性的水溶液使材料溶解而達(dá)到過(guò)飽和進(jìn)而析晶的生長(zhǎng)晶體方法叫水熱生長(zhǎng)法。這個(gè)方法主要用來(lái)合成水晶，其他晶體如剛玉、方解石、藍(lán)石棉以及很多氧化物單晶都可以用這個(gè)方法生成。水熱法生長(zhǎng)的關(guān)鍵設(shè)備是高壓釜，它是由耐高溫、高壓的鋼材制成。它通過(guò)自緊式或非自緊式的密封結(jié)構(gòu)使水熱生長(zhǎng)保持在200～1000°C的高溫及1000～10000大氣壓的高壓下進(jìn)行。培養(yǎng)晶體所需的原材料放在高壓釜內(nèi)溫度稍高的底部，而籽晶則懸掛在溫度稍低的上部。由于高壓釜內(nèi)盛裝一定充滿度的溶液，更由于溶液上下部分的溫差，下部的飽和溶液通過(guò)對(duì)流而被帶到上部，進(jìn)而由于溫度低而形成過(guò)飽和析晶于籽晶上。被析出溶質(zhì)的溶液又流向下部高溫區(qū)而溶解培養(yǎng)料。水熱合成就是通過(guò)這樣的循環(huán)往復(fù)而生長(zhǎng)晶體。

晶體生長(zhǎng)技術(shù)助熔劑法

這個(gè)方法是指在高溫下把晶體原材料溶解于能在較低溫熔融的鹽溶劑中，形成均勻的飽和溶液，故又稱熔鹽法。通過(guò)緩慢降溫或其他辦法，形成過(guò)飽和溶液而析出晶體。它類(lèi)似于一般的溶液生長(zhǎng)晶體。對(duì)很多高熔點(diǎn)的氧化物或具有高蒸發(fā)氣壓的材料，都可以用此方法來(lái)生長(zhǎng)晶體。這方法的優(yōu)點(diǎn)是生長(zhǎng)時(shí)所需的溫度較低。此外對(duì)一些具有非同成分熔化（包晶反應(yīng)）或由高溫冷卻時(shí)出現(xiàn)相變的材料，都可以用這方法長(zhǎng)好晶體。BaTiO3晶體及Y3Fe5O12晶體的生長(zhǎng)成功，都是此方法的代表性實(shí)例，使用此法要注意溶質(zhì)與助熔劑之間的相平衡問(wèn)題。