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kiko89

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[交流] 材料科学之晶体生长方法已有4人参与

晶体生长方法
晶体是十分奇妙、美丽而又用途巨大的材料，而自然界中天然形成的晶体多含有大量的缺陷，从而影响到它的应用。在实际中，人们往往采用先进的设备，设定晶体生长所需的温度、气氛和组分，通过严格控制的条件合成与培育出符合需要的高质量人工晶体。
经过晶体材料科学多年的发展，目前已有多种不同的晶体生长的理论，研究晶体生长的规律以及与环境之间的相互关系，同时，针对于各种各样不同性质的晶体材料，发展出许多不同的生长方式和生长技术。比如，早在19世纪，人们就已经可以通过焰熔法生长红宝石、白宝石等熔点高的晶体。
根据晶体生长时的物相变化，晶体生长技术可以分成以下几类：
（1）气相－固相：如雪花的形成，炼丹术中丹砂的凝结。
（2）液相－固相：这里又可以分成两类。一类是从溶液中通过降温、蒸发、化学反应等方式控制饱和度等使得晶体结晶；另一类是从熔体中结晶。后者基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化，然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却，从而生长晶体。
（3）固相－固相：由于晶体的化学能较低，自然界中的非晶态、多晶态等物质，经过亿万年多少会有晶化现象，而晶体物质也有可能通过相变、再结晶等方式发生变化。
1、常温溶液法
从溶液中生长晶体的历史最悠久，应用也很广泛。这种方法的基本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中，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。
溶液法具有以下优点：
（1）晶体可在远低于其熔点的温度下生长。有许多晶体不到熔点就分解或发生不希望有的晶型转变，有的在熔化时有很高的蒸汽压，溶液使这些晶体可以在较低的温度下生长，从而避免了上述问题。此外，在低温下使晶体生长的热源和生长容器也较容易选择。
（2）降低粘度。有些晶体在熔化状态时粘度很大，冷却时不能形成晶体而成为玻璃体，溶液法采用低粘度的溶剂则可避免这一问题。
（3）容易长成大块的、均匀性良好的晶体，并且有较完整的外形。
（4）多数情况下可直接观察晶体生长过程，便于对晶体生长动力学的研究。
溶液法的缺点是组分多，影响晶体生长因素比较复杂，生长速度慢，周期长(一般需要数十天乃至一年以上)。另外，溶液法生长晶体对控温精度要求较高。

2、高温溶液法
高温溶液法是生长晶体的一种重要方法。高温下从溶液或者熔融盐溶剂中生长晶体，可以使溶质相在远低于其熔点的温度下进行生长。
高温溶液法与其他方法相比具有如下优点：
（1）适用性强，只要能找到适当的助熔剂或助熔剂组合，就能生长出单晶。
（2）许多难熔化合物和在熔点极易挥发或高温时变价或有相变的材料，以及非同成分熔融化合物，都不能直接从熔体中生长或不能生长完整的优质单晶，助熔剂法由于生长温度低，显示出独特能力。
熔盐法制备晶体的缺点：晶体生长速度慢；不易观察；助熔剂常常有毒；晶体尺寸小；多组分助熔剂相互污染。
该方法适用于以下几种材料的制备：(1)高熔点材料；(2)低温下存在相变的材料；(3)组分中存在高蒸气压的成分。

籽晶降温法
3、熔融法
从熔体中生长晶体是制备大单晶和特定形状的单晶最常用的和最重要的一种方法。电子学、光学等现代技术应用中所需要的单晶材料，大部分是用熔体生长方法制备的，如单晶硅、GaAs（砷化镓）、LiNbO3（铌酸锂）、YAG（镱铝石榴石）、蓝宝石等以及某些碱土金属和碱土金属的卤族化合物等。许多晶体品种早已开始进行不同规模的工业生产。
与其他方法相比，熔体生长通常具有生长快、晶体的纯度和完整性高等优点。
熔融法生长晶体有多种不同的方法和手段，如：提拉法、泡生法、坩埚下降法、区熔法、焰熔法等。生长的单晶不仅可做器件用，还可用于基础理论研究。
熔融法生长晶体的简单原理是将生长晶体的原料熔化，在一定条件下使之凝固，变成单晶。该方法包含原料熔化和熔体凝固两大步骤，熔体必须在受控的条件下的实现定向凝固，生长过程是通过固液界面的移动来完成的。

4、气相法
气相法生长晶体是将拟生长的晶体材料通过升华、蒸发、分解等过程转化为气相，然后通过适当条件下使它成为饱和蒸气，经冷凝结晶而生长成晶体。
气相法晶体生长的特点是：
（1）生长的晶体纯度高；
（2）生长的晶体完整性好；
（3）晶体生长速度慢；
（4）有不少难以控制的因素，如温度梯度、过饱和比、携带气体的流速等。
目前，气相法主要用于晶须生长和外延薄膜的生长（同质外延和异质外延），而生长大尺寸的块状晶体有其不利之处。
气相法主要可以分为两种：
（1）物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）：用物理凝聚的方法将多晶原料经过气相转化为单晶体，如升华/凝结法、分子束外延法和阴极溅射法等；
（2）化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）：通过化学过程将多晶原料经过气相转化为单晶体，如化学传输法、气体分解法、气体合成法和MOCVD法等。

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