材料化学第5章材料的制备ppt课件

水热法生长的单晶
水热法生长单晶装置
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KTP单晶
杜邦用来生长KTP晶体的装置
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Powder Preparation
粉体晶粒发育完整；
粒径很小且分布均匀；
团聚程度很轻；
Chapter 5 Preparation of Materials 材料的制备
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材 料 化学合成 制 工艺技术 备
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主要内容
❖ 5.1 晶体生长技术 ❖ 5.2 气相沉积法 ❖ 5.3 溶胶-凝胶法 ❖ 5.4 液相沉淀法 ❖ 5.5 固相反应 ❖ 5.6 插层法和反插层法 ❖ 5.7 自蔓延高温合成法 ❖ 5.8 非晶材料的制备
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• 提拉法 • 坩埚下降法 • 区熔法 • 焰熔法 • 液相外延法
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5.1.1.1 提拉法(丘克拉斯基法，CZ法，Czochralski method)
✓ 可以在短时间内生长大 而无错位晶体
✓ 生长速度快，单晶质量 好
✓ 适合于大尺寸完美晶体 的批量生产
提拉法单晶生长
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焰熔法生长宝石
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焰熔法
焰熔法生长金红石
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金红石晶体
5.1.1.5液相外延法
❖ 料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶 衬底时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长 为单晶薄膜。
❖ 在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延 不同成分的单晶薄膜。
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correction block
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晶体生长过程
开始阶段
径向生长阶段
垂直生长阶段
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Crystal-500 晶体生长炉得到的晶体
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5.1.1.2 坩埚下降法
❖ 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。
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❖ 5.1.2.1 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。
❖ 制备单晶的关键：
➢ 消除溶液中的微晶； ➢ 精确控制温度。
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生长容器
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水溶液法制备的KH2PO3晶体（历时一年）
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5.1.2.2 水热法
Hydrothermal Method
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Application of Hydrothermal Method
Monocrystal Growth
Application (1) Monocrystal Growth
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
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❖ 有时也会固定加热器而移动原料棒。
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区熔法
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水平区熔法示意图
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包含化合物生成的区熔法
InP单晶的合成
CdTe单晶的合成
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长200mm、直径 75mm的未掺杂 GaAs单晶及晶片
100mm直径的 InP单晶及晶片
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5.1.1.4 焰熔法
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坩埚下降法晶体生长示意图
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坩埚下降法
采用冷却棒的结晶炉示意图和理想的温度分布
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5.1.1.3区熔法
❖ 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。
❖ 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。
料锤1周期性地敲打装在料斗3里的粉末 原料2，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 氢氧气形成氢氧焰，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。
➢能生长出很大的晶体（长达1m） ➢适用于制备高熔点的氧化物 ➢缺点是生长的晶体内应力很大
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学习目的
➢ 学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相 关工艺过程。
➢ 了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。
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5.1 晶体生长技术
❖ 熔体生长法 ❖ 溶液生长法
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5.1.1 熔体生长法
—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
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❖ 控制晶体品质的主要因素：
➢ 固液界面的温度梯度 ➢ 生长速率 ➢ 晶转速率 ➢ 熔体的流体效应
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4-inch的LiNbO3单晶
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自动提拉技术
CryLeabharlann Baidutal-500 晶体生长炉
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1. 供料器feeder 2. 晶体生长室growth chamber 3. 坩埚crucible 4. 底加热器bottom heater 5. 气阀gas valve 6. 熔面调校器melt-level regulator 7. 探头probe 8. 电脑 9. 温度校正单元 temperature-
液相外延法
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液相外延系统示意图
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液相外延法优点：
❖ 生长设备比较简单； ❖ 生长速率快； ❖ 外延材料纯度比较高； ❖ 掺杂剂选择范围较广泛； ❖ 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； ❖ 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：
❖ 当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； ❖ 由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； ❖ 外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
❖ 水热法——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
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水热法种类
➢ 水热氧化法 ➢ 水热沉淀法
Classification
➢ 水热合成法 ➢ 水热分解 ➢ 水热晶化法
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5.1.2 溶液生长法
❖ 主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。 ❖ 过饱和途径：
➢ 利用晶体的溶解度随温度改变的特性，升高或降低 温度而达到过饱和；
➢ 采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。
❖ 介质：
✓ 水、熔盐（制备无机晶体） ✓ 丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）
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