晶体生长方法
长晶体的方法
长晶体的方法长晶体是指在某个方向上具有较大尺寸的晶体。
其生长方法主要有几种：单晶生长、多晶生长和晶体生长。
单晶生长是指在特定条件下，使晶体在单一晶核的基础上生长，从而得到具有高度有序排列的晶体结构。
单晶生长的方法有许多种，常见的有液相法、气相法和固相法。
液相法是指利用溶液中的溶质经过适当的操作，使溶质在溶液中重新结晶，从而生长出单晶。
液相法的优点是操作简单，适用范围广，但也存在一些问题，比如晶体生长速度较慢，晶体质量难以控制等。
气相法是指利用气体中的溶质通过气相扩散、气相反应等途径，在适当的温度和压力条件下进行晶体生长。
气相法的优点是可以获得高纯度的晶体，但其操作条件较为苛刻，且晶体生长速度较慢。
固相法是指利用固相反应或固相扩散等方式，在固体物质中进行晶体生长。
固相法的优点是可以通过控制反应条件和固相的组成来调控晶体生长速度和质量，但也存在一些问题，比如反应条件较为复杂，晶体生长速度较慢等。
多晶生长是指在特定条件下，使多个晶核同时生长，从而得到具有多个晶体结构的晶体材料。
多晶生长通常采用的方法有凝固法、凝胶法和溶胀法。
凝固法是指将溶液或熔体冷却至一定温度，使其凝固成固体晶体。
凝固法的优点是操作简单，可以大规模生产，但晶体质量较差。
凝胶法是指利用溶胶在溶胶-凝胶转变过程中产生的凝胶网络结构，来控制晶体生长。
凝胶法的优点是可以得到高纯度的晶体，但晶体生长速度较慢。
溶胀法是指在溶胶中加入溶剂，使溶剂浸润溶胶，通过溶剂的蒸发或混合，使溶胶凝胶并生长成晶体。
溶胀法的优点是操作简单，可以得到高质量的晶体，但也存在一些问题，比如晶体生长速度较慢，晶体尺寸难以控制等。
晶体生长是一门复杂而精细的科学，不同的生长方法适用于不同的晶体材料。
通过选择合适的生长方法，可以获得具有良好性能的晶体材料，进而推动相关领域的发展。
晶体生长技术
在高温高压下，通过各种碱性或酸性的水溶液使材料溶解而达到过饱和进而析晶的生长晶体方法叫水热生长 法。这个方法主要用来合成水晶，其他晶体如刚玉、方解石、蓝石棉以及很多氧化物单晶都可以用这个方法生成。 水热法生长的关键设备是高压釜，它是由耐高温、高压的钢材制成。它通过自紧式或非自紧式的密封结构使水热 生长保持在200～1000°C的高温及1000～10000大气压的高压下进行。培养晶体所需的原材料放在高压釜内温度 稍高的底部，而籽晶则悬挂在温度稍低的上部。由于高压釜内盛装一定充满度的溶液，更由于溶液上下部分的温 差，下部的饱和溶液通过对流而被带到上部，进而由于温度低而形成过饱和析晶于籽晶上。被析出溶质的溶液又 流向下部高温区而溶解培养料。水热合成就是通过这样的循环往复而生长晶体。
气相外延 材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管 和闭管两种方式，半导体制备中的硅外延和砷化镓外延，多半采用开管外延方式。
液相外延 将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将单晶基片浸泡在这溶液中，再使溶液达到 过饱和，这就导致材料不断地在基片上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。这样的工艺过程称为液 相外延。这方法的优点是操作简单，生长温度较低，速率也较快，但在生长过程中很难控制杂质浓度的梯度等。 半导体材料砷化镓的外延层，磁泡材料石榴石薄膜生长，多半用这种方法。
这个方法是指在高温下把晶体原材料溶解于能在较低温熔融的盐溶剂中，形成均匀的饱和溶液，故又称熔盐 法。通过缓慢降温或其他办法，形成过饱和溶液而析出晶体。它类似于一般的溶液生长晶体。对很多高熔点的氧 化物或具有高蒸发气压的材料，都可以用此方法来生长晶体。这方法的优点是生长时所需的温度较低。此外对一 些具有非同成分熔化（包晶反应）或由高温冷却时出现相变的材料，都可以用这方法长好晶体。BaTiO3晶体及 Y3Fe5O12晶体的生长成功，都是此方法的代表性实例，使用此法要注意溶质与助熔剂之间的相平衡问题。
晶体生长方法综述
溶液生长 熔体生长 气相生长 固相生长
晶体生长方法 溶液法：方法简单，生长 速度慢，晶体应 力小，均匀性好 降温法 恒温蒸发法 循环流动法 温差水热法
熔体法：生长速度快，晶体的 纯度及完整性高 凝固析晶法 坩埚下降法 提拉法 泡生法 浮区法 焰熔法 助熔剂法 导模法
气相法：生长速度慢，晶体 纯度高、完整性好，宜于薄 膜生长
升华法 反应法 热解法
固相法：主要靠固体材料中的扩 散使非晶或多晶转变为单晶，由 于扩散速度小，不宜于生长大块 晶体 高压法、再结晶法
溶液法生长晶体
溶液和溶解度
溶液——由两种或两种以上物质所组成的均匀混合体 系称为溶液。 一定量溶液中含有溶质的量称为溶液的浓度。
几种表示方式： 1、体积摩尔浓度（mol):一升溶液中所含溶质的摩尔数 2、重量摩尔浓度（mol): 1000g溶剂中所含溶质的摩尔数 3、摩尔分数（x):溶质摩尔数对溶液总摩尔数之比 4、重量百分数：100g（或1000g）溶液中所含溶质的克数 5、重量比：100g（或是1000g）溶剂中所含溶质的克数
溶液法生长晶体
溶液分成稳定区、不稳定区和亚温区。稳定区是不饱和区，在这个区域里晶体 不能生长。亚温区是过饱和区，在这里不发生自发结晶，若有外来颗粒（包括 籽晶）投入，晶体就围绕它生长。不稳定区也是过饱和区，不过它的过饱和度 比亚温区大，会自发结晶。
溶液生长的过程必需控制在亚温区内进行，若在不稳定区内生长就会出现多晶。
溶液法生长晶体
溶解度——在一定温度和压力下，一定量的 溶剂候中能溶解溶质的量叫溶解度。 固体溶解度一般以一定温度下100g溶剂中能 溶解溶质的量。溶解度大小与温度有密切关 系。 根据溶解度曲线选择生长方法，溶解度温度 系数很大时，可采用降温法（如磷酸铝铵）； 若溶解度温度系数小，则采用蒸发法（如氯 化钠）
晶体生长过程
晶体生长过程一、晶体生长的概述晶体是由具有一定规律排列的原子、离子或分子组成的固体物质，它们在自然界中广泛存在。
晶体生长是指从溶液或气态中将原料分子聚集成晶体的过程。
这个过程涉及到许多因素，如温度、压力、浓度、溶剂等。
二、晶体生长的分类根据晶体生长的方式和条件，可以将其分为以下几类：1. 溶液法：将溶质加入溶剂中，通过控制温度和浓度来促进晶体生长。
2. 气相法：通过在高温下使气态原料在固相表面上沉积而形成晶体。
3. 熔融法：将物质熔化后，在适当条件下冷却结晶形成晶体。
4. 生物合成法：利用生物细胞或酵素来控制晶种生成和调节结构。
三、溶液法晶体生长的步骤1. 源液制备：根据需要选择适当的原料和溶剂，并按照一定比例混合制备源液。
2. 清洁容器：选用干净的容器，并用去离子水或其他清洗剂进行清洗，避免污染源液。
3. 源液加热：将源液加热至适当温度，以促进晶体生长。
4. 晶种制备：将晶种（已有的微小晶体）加入源液中，以便新的晶体可以在其上生长。
5. 晶体生长：在温度和浓度控制下，源液中的原料分子逐渐聚集形成新的晶体。
这个过程需要一定时间，并且需要不断地添加原料和调节条件。
6. 分离和洗涤：当晶体生长到一定大小后，需要将其从溶液中分离出来，并用去离子水或其他溶剂进行洗涤和干燥。
四、影响晶体生长的因素1. 温度：温度是影响晶体生长速率和结构的重要因素。
通常情况下，温度越高，晶体生长速率越快。
2. 浓度：浓度也是影响晶体生长速率和结构的关键因素。
一般来说，浓度越高，晶体生长速率越快。
3. 溶剂选择：不同的溶剂对晶体生长的影响也不同。
有些溶剂可以促进晶体生长，而有些则会抑制晶体生长。
4. 晶种：晶种的质量和数量对晶体生长也有很大的影响。
好的晶种可以提高晶体生长速率和质量。
5. 搅拌：搅拌可以使源液中的原料分子更加均匀地分布，从而促进晶体生长。
6. pH值：pH值对于一些化学反应和分子聚集也有很大影响，因此它也会影响晶体生长。
晶体材料基础第九讲 晶体生长方法
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1897年Ostwald首先引入“不稳过饱和”和“亚稳过饱和” 的概念。
他把在无晶核存在下能自发析出固相的过饱和溶液称为 “不稳过饱和”溶液；
而把不能自发析出固相的过饱和溶液称为“亚稳过饱和” 溶液。
随后，Miers 对自发结晶和过饱和度之间的关系进行了广 泛的研究。发现：在溶解度曲线上方还有一条溶液开始自 发结晶的界限，称为过饱和曲线。
亚稳区的大小既与结晶物质的本性有关，也容易受外界条 件的影响，如搅拌、振动、温度、杂质等。
不同物质溶液的亚稳区差别相当大。
过饱和度的表示方式：
浓度驱动力: c = c-c* ——结晶过程的驱动力
过饱和比: s = c/c*
过饱和度 或相对过饱和度
= c /c* = s -1
过饱和度也可用温度来表示， t = t*- t （过冷度）
一定量的溶液中含有溶质的量称为溶液的浓度。
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❖溶液浓度的表示方法：
（1）体积摩尔浓度（M)：M = 溶质（mol数) / 1L溶液。 （2）重量摩尔浓度（m)：m = 溶质（mol数) / 1000g 溶剂 。
（3）摩尔分数（x)：x = 溶质（mol数) / 溶液总mol数。
（4）重量百分数( c)：c = 溶质克数 / 100g(or 1000g)溶液 。
L S (给定温度，压力)
➢ 溶解度是考察溶液中生长晶体的最基本的参数。
同一物质在不同的溶剂中有不同的溶解度，选择合适的 溶剂是晶体生长的重要任务之一。
在我们所讨论的体系中，压力对溶解度的影响是很小的， 但温度的影响却十分显著。物质在不同的温度下，其溶 解度是有明显差别的。
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晶体生长方法简介
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晶体生长的前沿和挑战
Chapter
晶体生长的前沿和挑战
• 晶体生长是一个复杂的过程，涉及到多个因 素和步骤。为了更好地理解和控制晶体生长 ，需要对其研究前沿和挑战有深入的认识。
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光学晶体：通过固相法可以 制备高质量的光学晶体，如 蓝宝石、石英等，用于光学 器件和激光器等领域。
功能陶瓷：利用固相法晶体 生长技术，可以制备具有特 殊功能（如压电、铁电、热 电等）的陶瓷材料。
这些应用实例体现了固相法 晶体生长在材料科学和工程 技术领域的重要性。通过不 断优化生长条件和技术手段 ，可以进一步拓展固相法晶 体生长的应用范围和提高晶 体质量。
籽晶法
通过提供一个籽晶作为生 长核，在适宜的条件下， 使晶体从籽晶开始逐渐生 长。
熔融法
将原料加热至熔融状态， 然后在控制条件下慢慢冷 却，从而在熔融固体中形 成晶体。
气相沉积法
通过气相反应在固相基底 上沉积晶体材料，进而实 现晶体的生长。
固相法晶体生长应用与实例
半导体材料：固相法晶体生 长在半导体材料制备中具有 广泛应用，如硅、锗等半导 体的单晶生长。
气相法晶体生长应用与实例
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半导体工业
化学气相沉积用于生产大面积、高质量的硅、锗 等半导体材料晶体，满足电子器件的需求。
光学涂层
物理气相沉积用于制备光学薄膜和涂层，如增透 膜、高反膜等，提高光学元件的性能。
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纳米材料合成
通过控制气相法中的生长条件，可以合成具有特 定形貌和尺寸的纳米晶体，应用于催化、生物医 学等领域。
以上这些方法各有特点，适用于不同类型的晶体 和生长条件。在实际应用中，需要根据具体需求 和条件选择合适的方法来进行晶体生长研究。
第十二节晶体生长方式
光滑界面生长困难－－晶体怎么偷懒？
4-3-3 非完整界面的生长 ――从缺陷处生长
利用晶体缺陷
实际结晶时，晶体生长表面上往往难以避免因原子错排而造成 缺陷，例如螺型位错与孪晶。 这些缺陷为晶体生长(原子堆砌)提供现成的台阶，从而避免了 二维晶核生长的必要性。 如铸铁中的石墨和铝合金中的硅，就是利用晶体本身缺陷实 现生长的典型例子。
对于依赖缺陷生长，请给出形象的比喻
生长过程：绕树三匝，鹊鸟可依
曹操<<短歌行>>诗句:"绕树三匝,何枝可依.”
生长方式： 生长形态：
？？ ？？
4-3-4 生长动力学与晶体形态
1、垂直生长
R1 DH m Tk R Tm
2
2、二维形核生长
b R 2 2 exp T k
DL H m R TK 1 TK 2 aKTm
式中μ1是连续长大系数。 一般μ1 ≈1～100cm/(s•K)，因此在很小的过冷度下就可以获得极 高的生长速度。
实际铸锭凝固时的晶体生长速度约为 10-2cm/s ，由此推算出 的动力学过冷度ΔTK≈10-2～10-4 K，小到无法测量的程度。
4-3 晶体生长方式 4-3-1 垂直生长
4-3-2 侧向生长
4-3-3 非完整界面的生长
4-3-4 生长动力学与晶体形态
生长方式和速度？
晶体的生长方式
液相中原子向某个晶粒表面的堆砌方式。
根据界面结构的不同，晶体可采取 连续生长 ， 侧
向生长和从缺陷生长等方式;
晶体生长的速度
固液界面的推进速度
动力学过冷度是晶体生长的必要条件
近期研究：其它过冷度大于 ΔTk时，用实际过冷度代替
第七章 单晶生长方法的理论分析
直 拉 硅 单 晶 炉
(2) 坩 蜗 移 动 法 该 方 法 常 称 布 里 支 曼 (Bridgman)法，简称B—S法。该方法的特点是让 熔体在坩埚中冷却而凝固。凝固过程虽然是由坩 埚的一端开始而逐渐扩展到接个熔体，但方式却 有所不同，坩埚可以垂直放置如图6—2（a）所示。 熔体自下向上凝固、或自上而下凝固。 (将一籽 晶插入熔体上部，这样在生长初期晶体不与坩埚 壁接触，以减少缺陷)。
1．正常凝固法 正常凝固法又包括以下几种方法 (1)晶体提拉法 晶体提拉法又称“直拉法”。该方法的创始人是切克劳斯基(1．Czochrolski)，他 的论文发表于1918年。这是熔体中最常用的一种方法。虽然后来对该法有许多改进，但基本方法和原 理仍与早期方法类同，许多重要的实用晶体大都是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几 项重大改进。能够顺利地生长某些易挥发的化合物(如GaP等)和特定形状的晶体(如管状宝石和带状硅 单晶)。
1.从溶液中生长晶体法 该方法的历史最久，应用也很广泛。这种方法的基本原理是将原材料溶解在溶剂 中，采取适当的措施造成溶液的过饱和，使晶体在其中生长。例如，食盐结晶，利 用蒸发使NaCl晶体生长，从而使食盐结晶。 2.助溶剂法生长晶体（熔盐法） 助溶剂法(又称熔盐法)：该方法类似于溶液生长法。因为这种方法的生长温度较 高，故一般地又称“高温溶液生长法”。它是将晶体的原成分在高温下溶解于低熔 点的助溶剂溶液中，形成均匀的饱和溶液，然后通过慢降温，形成过饱和溶液，使 晶体析出。
坩埚也可以水平放置(使用“舟”形 坩埚)，如图6—2(b)所示，凝固过程 是通过移动固—液界面来完成，移动 界面的方式有：移动坩埚，或移动加 热炉，或降低温度均可。
2.逐区熔化法
(1)水平区熔法 区熔法的创始入是W．pfann， 他的论文发表于1952年。该方法主要用于材 料的物理提纯，也可用于生长晶体，该法的 特点是熔区被限制在一段段狭窄范围内，而 绝大部分材料处于固态。 随着熔区沿着料锭由一端向另一端缓慢移动， 晶体的生长过程也就逐渐完成。这种方法比 正常凝固法的优点是减少了坩埚对熔体的污 染，并降低了加热功率。另外，这种区熔过 程可以反复进行，从而提高了晶体的纯度或 使掺质均匀。生长装置如图6-4所示。
光学晶体生长实验方法介绍
光学晶体生长实验方法介绍随着科技的不断进步，光学晶体作为一种重要的功能材料，在现代工业和科学研究中起着重要的作用。
光学晶体的生长方法研究不仅可以提高光学晶体的质量和产量，还能探索新的结构和性能。
本文将介绍几种常见的光学晶体生长实验方法。
1. 溶液法生长溶液法生长是一种常用的光学晶体生长方法。
它通常包含两个步骤：溶液制备和结晶生长。
首先，将所需的晶体溶质和溶剂按照一定比例混合并搅拌。
然后，通过控制温度和溶液浓度等条件，使得溶解度逐渐减小，晶体开始在溶液中逐渐生长。
这种方法常用于生长硫化物、蓝宝石和铁镍氧化物等晶体。
2. 熔融法生长熔融法生长是一种将粉末材料在高温下熔融并冷却过程中生长晶体的方法。
首先，将所需的晶体材料研磨成粉末，并将其放入高温熔融炉中。
在达到适当的温度后，材料开始熔化，然后缓慢冷却，使晶体逐渐生长。
熔融法生长适用于生长铁电晶体、铁磁晶体和半导体晶体等高温材料。
3. 工艺划线法生长工艺划线法生长是一种通过在晶体种子上刻画出所需结构并在固体状态下生长晶体的方法。
这种方法常用于生长非晶态薄片和光学光纤晶体。
通过在晶体种子表面划画出所需图案，然后将材料进行烧结和烧蚀处理，使得晶体随着图案的生长逐渐形成所需结构。
这种方法可以生长出优异的光学和磁性性能的晶体。
4. 蒸发法生长蒸发法生长是一种通过蒸发溶液中的溶剂，使溶质逐渐结晶生长的方法。
它通常包含两个步骤：溶液制备和结晶生长。
首先，将所需的晶体溶质和溶剂按照一定比例混合并搅拌。
然后，将混合溶液放置在浅盘中，随着溶剂的蒸发，晶体开始逐渐在溶液表面生长。
这种方法适用于生长磷酸铝、三氧化二砷和硫酸钾等溶解度较高的晶体。
5. 气相转化法生长气相转化法生长是一种通过气相反应在固定的衬底上生长晶体的方法。
首先，将具有所需元素的气体流经高温炉管中，并与衬底反应形成晶体。
这种方法常用于生长碳化硅、氮化铝和氧化锌等晶体。
以上介绍的几种光学晶体生长实验方法只是其中的一部分，还有许多其他方法，如激光化学气相沉积法和分子束外延法等。
物理实验技术中的晶体生长与表征方法
物理实验技术中的晶体生长与表征方法在物理科学的研究中，晶体生长和表征技术扮演着重要的角色。
晶体是由原子、离子或分子排列成周期结构的固体，具有独特的物理和化学性质。
为了深入了解晶体的性质和应用，科学家们致力于开发先进的晶体生长和表征方法。
一、晶体生长方法1. 溶液法：溶液法是最常用的晶体生长方法之一。
通过溶液中溶质的逐渐减少，使得溶质分子或离子结晶并形成晶体。
溶液法适用于多种物质的晶体生长，如无机盐类、有机化合物和生物大分子。
其中，流体动力学控制生长过程对于得到高质量晶体至关重要。
2. 气相沉积法：气相沉积法是将气相中的原子或分子沉积到基底上形成晶体的方法。
它可以通过热蒸发、溅射沉积或分子束外延等多种方式实现。
气相沉积法适用于生长高纯度的无机晶体，具有晶体质量高、缺陷少的优点。
3. 熔体法：熔体法是将物质熔融后，通过温度梯度使其重新晶化形成晶体的方法。
这种方法适用于高熔点物质的晶体生长，如金属和合金材料。
熔体法能够得到大尺寸、高质量的晶体。
二、晶体表征方法1. X射线衍射：X射线衍射是最常用的晶体表征方法之一。
它通过照射晶体，然后观察和分析晶体对X射线的散射模式，来研究晶体的结构和定量晶体参数。
X 射线衍射技术在无机晶体、有机晶体和生物晶体的结构测定中广泛应用。
2. 傅里叶变换红外光谱：傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种用于分析物质振动模式和化学键信息的技术。
它通过测量物质与红外光的相互作用，得到物质的红外吸收光谱图。
FTIR技术可用于化学品的鉴定、组成分析以及生物分子的结构分析。
3. 扫描电子显微镜：扫描电子显微镜（SEM）是一种利用电子束照射样品，感测样品表面的信号并生成图像的技术。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌信息，并且可以观察到微小尺度的缺陷和晶界。
SEM技术在材料科学和纳米技术领域有着重要的应用。
4. 核磁共振：核磁共振（NMR）是一种基于原子核自旋的表征技术。
通过应用外加磁场，核磁共振可以测量样品中原子核的磁共振信号，进而推断样品的化学构成和空间结构。
5.4-晶体生长技术
提拉法
籽晶从熔体中提拉出晶
体的生长方法，亦称恰
克拉斯法或提拉法。
提拉法晶体生长设备
提拉法的主要优点是：
（1）直观：利于及时掌握生长情况，控制生长条件。 （2）晶体不与坩埚接触，没有壁寄生成核和胁迫应力。 （3）使用优质定向籽晶和缩颈技术，减少晶体缺陷。 （4）能以较快速度获得高质量优质单晶。
晶体生长设备
坩埚下降法的优点：
1. 晶体密封生长，熔体挥发少，成分容易控制；
2. 适宜生长大直径单晶，可以一次生长多根晶体；
3. 工艺条件容易掌握，易于实现自动化。
坩埚下降法的缺点：
1.不宜生长结晶时体积增大的晶体；
2.生长过程难以确定，所长晶体内应力较大。
坩埚下降法中成核问题直接关系到晶体质量和单晶化 程度。 坩埚下部温度逐渐降低后，坩埚壁局部过冷区域形成 晶核并释放结晶潜热，须将结晶潜热迅速移去晶核才能继
熔体法晶体生长的局限性：
若存在以下情形，则难以采用熔体法进行晶体生长。
（1） 材料在熔化前就分解；
（2） 非同成分熔化的材料；
（3） 材料在熔化前升华或在熔点处蒸气压太高；
（4） 存在故态相变（脱溶沉淀和共析反应），破坏性相变；
（5） 熔点太高；
（6） 生长条件和必须进入晶体的某种掺杂不相容。
5.4.1.1
空间材料科学与制备技术提供有价值的实验数据。
原料制备
配制原料 籽晶加工 坩埚制作
晶体生长
降温
安装籽晶、填装原料
出炉
（ 原料再处理）
焊封坩埚 晶体切割
晶体定向
晶体研磨 晶体抛光
上炉、升温、接种
晶体生长方法
晶体生长方法1.底部籽晶法 (2)2.冷坩埚法 (3)3.高温高压法 (4)4.弧熔法 (8)5.提拉法 (9)6.焰熔法 (12)7.熔剂法 (14)8.水平区熔 (16)9.升华法 (17)10.水热法生长晶体 (19)11.水溶液法生长晶体 (21)12.导向温梯法（导向温梯法（TGT TGT TGT）生长蓝宝石简介）生长蓝宝石简介 (22)1.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"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10CVD生长金刚石薄膜的不同设计图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。
晶体生长方法
1.1.5 热交换法Heat exchange method (HEM)该方法的实质是熔体在坩埚内直径凝固。
它与坩埚移动法的区别是在这种方法中，坩埚不做任何方向的移动。
这是近年来生长大尺寸晶体的又一发展。
Schmid最初的生长是在一个梯度单晶炉内进行，用以生长大尺寸白宝石单晶。
右图所示的是这种方法的示意图。
该梯度炉就是在真空墨电阻炉的底部装上一个钨铝制成的热交换器，内有冷却氦气流过。
把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端，两者中心互相重合，而籽晶置于坩埚底部的中心处（注意，热交换器与坩埚底面积之比应有一定的比例），当坩埚内的原料被加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶并未熔化，当氦气流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。
最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。
整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段。
在这个过程中晶体生长的去的驱动力来自固—液界面上的温度梯度。
通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的目的。
而晶体的热量可通过氦气的流量带走。
因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以建立起所需要的温度梯度。
这种方法的主要优点如下：1）晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，控制热交换器的温度，是晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固—液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。
2）刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。
同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。
当然热交换法生长晶体的周期较长，例如，Schmid生长32cm直径的白宝石单晶约需一周左右的时间。
1.1.6水平结晶法Horizontal directional crystallization method（HDC）其生长原理如右图所示，将原料放入船形坩埚之中，船形坩埚之船头部位主要是放置晶种，接着使坩埚经过一加热器，邻近加热器之部份原料最先熔化形成熔汤，形成熔汤之原料便与船头之晶种接触，即开始生长晶体，当坩埚完全经过加热器后，便可得一单晶体。
晶体生长方法（新）
晶体⽣长⽅法（新）晶体⽣长⽅法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）晶体提拉法的创始⼈是J. Czochralski ，他的论⽂发表于1918年。
提拉法是熔体⽣长中最常⽤的⼀种⽅法，许多重要的实⽤晶体就是⽤这种⽅法制备的。
近年来，这种⽅法⼜得到了⼏项重⼤改进，如采⽤液封的⽅式（液封提拉法，LEC ），如图1，能够顺利地⽣长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采⽤导模的⽅式（导模提拉法）⽣长特定形状的晶体（如管状宝⽯和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作⽤下，⼀边旋转⼀边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等⼏个⼯艺阶段，⽣长出⼏何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种⽅法的主要优点是：(a) 在⽣长过程中，可以⽅便地观察晶体的⽣长情况；(b) 晶体在熔体的⾃由表⾯处⽣长，⽽不与坩埚相接触，这样能显著减⼩晶体的应⼒并防⽌坩埚壁上的寄⽣成核；(c) 可以⽅便地使⽤定向籽晶与“缩颈”⼯艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最⼤优点在于能够以较快的速率⽣长较⾼质量的晶体。
提拉法中通常采⽤⾼温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化⽓氛，对坩埚有氧化作⽤，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极⾼的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改⽤其它⽣长⽅法。
图1 提拉法晶体⽣长装置结构⽰意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和 F.Schmid于1974年发明的⼀种长晶⽅法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体⽣长驱动⼒来⾃固液界⾯上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体⽣长中，采⽤钼坩埚，⽯墨加热体，氩⽓为保护⽓体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独⽴地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界⾯浸没于熔体表⾯，整个晶体⽣长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静⽌状态，处于稳定温度场中，⽽且熔体中的温度梯度与重⼒场⽅向相反，熔体既不产⽣⾃然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最⼤优点是在晶体⽣长结束后，通过调节氦⽓流量与炉⼦加热功率，实现原位退⽕，避免了因冷却速度⽽产⽣的热应⼒；(4) HEM可⽤于⽣长具有图2HEM晶体⽣长装置结构⽰意图特定形状要求的晶体。
晶体生长建立完美晶体的方法与机制
晶体生长建立完美晶体的方法与机制晶体是由原子、离子或分子组成的固体物质，在自然界和人工合成过程中广泛存在。
然而，要获得完美的晶体并非易事。
晶体的生长过程涉及复杂的物理化学机制，需要严格控制条件和有效的方法。
本文将介绍晶体生长建立完美晶体的方法与机制。
方法一：溶液法生长晶体溶液法是一种常见且有效的晶体生长方法。
其基本原理是将溶液中的溶质逐渐转变为晶体形态。
在实际操作中，可以通过以下步骤来建立完美晶体：1. 选择合适的溶剂和溶质：溶剂的选择应与溶质相容，并具有适当的溶解度。
溶质应具有较高的纯度，以避免杂质对晶体生长的影响。
2. 控制溶液饱和度：调整溶液中的溶质浓度，使其略高于饱和浓度。
通过加热、搅拌等方式，提高饱和度，促进晶体生长。
3. 提供适当的晶种：添加一个小晶体作为晶种，可以促进晶体在溶液中生长的起始。
选定的晶种应与目标晶体具有相似的晶格结构和晶面。
4. 控制生长条件：温度、pH值、搅拌速度等生长条件的控制非常关键。
合适的条件可以影响晶体的形貌、尺寸和纯度。
5. 定期补充溶质：为了保持溶液中溶质浓度的稳定，需要根据实际情况定期补充溶质。
6. 控制生长速率：过快或过慢的晶体生长速率都可能导致晶体缺陷的形成。
可以通过调整溶液饱和度和生长条件来控制生长速率，以获得更完美的晶体。
方法二：气相沉积法生长晶体气相沉积法是另一种常用的晶体生长方法，实质是通过气体反应在基底表面沉积晶体。
1. 选择适当的气体：气相沉积法依赖于气体反应，因此选择适当的气体对晶体生长非常重要。
常用的气体包括金属有机化合物、卤化物等。
2. 控制反应条件：气相沉积法中的反应条件对晶体生长具有重要影响。
温度、气流量、反应时间等参数需要精确控制。
3. 准备基底：在气相沉积法中，需要提前准备好待生长晶体的基底。
基底应具有适当的结晶面，以便晶体在其上生长。
4. 控制沉积速率：通过调整反应条件中的气体流量和反应时间等参数，可以控制沉积速率。
过快的沉积速率可能导致晶体缺陷的形成，适当的速率可以获得更完美的晶体。
材料化学中的晶体生长技术方法
材料化学中的晶体生长技术方法晶体在材料科学和化学领域中具有重要地位。
它们的晶格结构和晶面定向使得晶体具有特殊的物理和化学性质。
晶体生长技术是制备高质量晶体的关键步骤，而不同的晶体生长技术方法则从不同的角度满足了材料学家和化学家对于特定晶体的需求。
一种常见的晶体生长技术方法是溶液法。
溶液法通过控制溶液中溶质的浓度、温度和pH值等条件，使溶质逐渐沉积在晶体上。
特定的溶液浓度可用于控制晶体的尺寸和形态。
例如，金属盐类的溶液法生长可以通过调整浓度来控制单晶和多晶的生长。
此外，通过溶液法生长的晶体可能还会受到添加剂和掺杂物的影响，这在一定程度上可以改变晶体的性质和功能。
另一种晶体生长技术方法是熔融法。
熔融法通过将所需化合物熔化并逐渐冷却以形成晶体。
这种方法适用于许多金属和非金属晶体。
在熔融法中，晶体生长的速度和晶体尺寸可以通过控制冷却速度和熔化温度来调节。
例如，通过快速冷却可以制备非晶体材料，而通过缓慢冷却可以制备具有单晶结构的晶体。
气相沉积是一种常用的气相生长技术，它通过在气态中控制反应物的浓度和温度来促使晶体生长。
该方法主要适用于无机和有机材料的制备。
例如，化学气相沉积可以制备二维材料如石墨烯。
气相沉积方法可以在不同的条件下产生不同形态和尺寸的晶体。
除了传统的晶体生长方法，还有一些新颖的技术正在被开发和研究。
一个例子是模板法，它利用有机或无机模板物作为晶体生长的模板。
通过调控模板的形状和大小，可以控制晶体的生长方向和尺寸。
另一个例子是电化学沉积法，它利用电化学反应来控制晶体在电极表面的生长。
这种方法可以制备出具有特定形态和尺寸的晶体。
总之，在材料化学中，晶体生长技术方法的选择取决于所需晶体的特定性质和应用。
溶液法、熔融法、气相沉积以及新颖的晶体生长方法如模板法和电化学沉积法都是在不同情况下满足特定需求的有效工具。
科学家和工程师们不断探索新的晶体生长方法，以制备出更多种类和品质的晶体，进一步推动了材料科学和化学领域的发展。
少量样品长晶体的方法
少量样品长晶体的方法
在实验中，如果您需要少量样品的晶体生长，可以采用以下几种方法：
1. 凝胶法：利用凝胶为介质，在凝胶上生成晶体，该方法适用于二维材料、热电材料、能源材料等多种材料的生长。
2. 水热法：水热法是在高温、高压的环境下，通过水溶液或蒸汽的压力和温度来生长晶体。
3. 化学气相输运法：该方法通过真空封管及真空化学气相输制备系统生长晶体，适用于二维材料、热电材料、能源材料等多种材料的生长。
4. 熔体法：此方法在熔融状态下，控制物质的物理化学性质，控制相变过程，得到具有一定结构、尺寸、形状和性能的晶体，适用于汽车电子行业等领域。
5. 液相法：液相法是一种特殊的熔体法，生长温度低、生长速度快，虽然尚未实现产业化，但有望应用于电池、光电器件等领域。
无论选择哪种方法，都需要根据样品的特性和需求，优化控制条件，控制晶体生长方法和技术，使其能得到高质量的晶体样品。
物理实验技术中的晶体生长与制备技巧
物理实验技术中的晶体生长与制备技巧晶体是物质的一种有序排列形式，由重复排列的原子、分子或离子构成。
晶体的制备和生长技术在物理学研究及相关行业中都具有重要的应用价值。
本文将介绍一些晶体生长与制备的技巧，以加深对物理实验技术的了解。
一、晶体生长技术1. 溶液法晶体生长溶液法晶体生长是一种常见且易于实施的方法。
该方法通过将溶质溶解于溶剂中，然后在适当的条件下使其慢慢结晶，最终得到所需晶体。
溶液法晶体生长具有灵活性强、可以调控结晶度和晶体尺寸的优点。
为了控制晶体的生长速率和形态，可以在溶液中添加一些添加剂，如表面活性剂、聚合物等。
这些添加剂可以通过改变晶体生长界面的张力来影响晶体的形态。
另外，温度的控制也是溶液法晶体生长的关键。
通常，晶体的生长速率随温度的升高而增加，但在一定温度范围内，适当降低温度可以得到更好的晶体质量。
因此，在实验中合理控制温度是至关重要的。
2. 气相沉积晶体生长气相沉积晶体生长是一种通过气体中的原子、分子或离子在固体表面沉积而形成晶体的方法。
该技术在生长硅片、金属薄膜等方面具有广泛应用。
在气相沉积晶体生长中，温度和气体流量是关键参数。
通过控制沉积物表面的温度和气体流量，可以调整晶体的生长速率和取向。
此外，选择合适的基板材料也是影响晶体质量的因素之一。
气相沉积晶体生长还可以通过调整气体反应的条件来实现对晶体性能的调控。
例如，在生长过程中添加一些气体掺杂剂，可以改变晶体的电学、磁学性质等。
二、晶体制备技巧1. 单晶制备技术单晶是在制备过程中只有一个畴或晶粒的晶体。
对于一些物理实验和器件研究，单晶的使用往往比多晶更为优越。
单晶制备涉及的技术较为复杂，以下介绍其中几种常见的制备技巧。
拉制法是一种通过拉制单晶的方法，适用于一些易于拉制的晶体材料。
这种方法需要使用拉制炉，在高温下拉制晶体，通过控制拉制速度和温度梯度，使晶体在拉制过程中得以生长并保持单晶的完整性。
溶液法也可以用于单晶制备，该方法通过溶解晶体材料，然后在适当的条件下使晶体重新结晶，最终得到单晶。
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晶体生长方法
一、提拉法
晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
二、热交换法
热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。
由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。
三、坩埚下降法
坩埚下降法又称为布里奇曼－斯托克巴格法，是从熔体中生长晶体的一种方法。
通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。
这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。
与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。
另外由于工艺条件
容易掌握，易于实现程序化、自动化。
典型的晶体生长炉的结构。
该方法的缺点是不适于生长在结晶时体积增大的晶体，生长的晶体通常有较大的内应力。
同时在晶体生长过程中也难于直接观察，生长周期比较长。
四、温梯法
导向温度梯度法(TGT) 是中国科学院上海光学精密机械研究所的专利技术。
其结晶原理与上述热交换法相似，也是采用石墨发热体、Mo保温屏、Mo坩埚，氩气保护气氛。
温梯法和热交换法的主要不同在于前者采用水冷却技术而后者采用He气冷却；而且TGT 的温场主要靠调整石墨发热体、Mo保温屏、Mo坩埚的形状和位置，发热体的功率以及循环冷却水的流量来调节，使之自下向上形成一个合适的温度梯度。
温梯法整个生长装置处于相对稳定的状态，坩埚和籽晶都不转动，这样坩埚中既没有因熔体密度引起的自然对流，又没有因机械搅拌引起的强迫对流，固液界面不受干扰，具有更稳定的热场。
五、水平布里奇曼法
水平布里奇曼法是由BarIIacapob研制成功的一种制备大面积定型薄片状晶体的方法。
将原料置于舟型坩埚中，使坩埚水平通过加热区，原料熔化并结晶。
为了能够生长有严格取向的晶体，可以在坩埚顶部的籽晶槽中放入籽晶来诱导生长。
该方法具有以下一些特点：(1)开放式的坩埚便于观察晶体的生长情况；(2)由于熔体的高度远小于其表面尺寸，有利于去除挥发性杂质，另外还有利于降低对流强度，
提高结晶过程的稳定性；(3) 开放式的熔体表面使在结晶的任意阶段向熔体中添加激活离子成为可能；(4)通过多次结晶的方法，可以对原料进行化学提纯。
现代分析测试技术作业
姓名：矦贵海
学号：2013220313 专业:化学工程
班级：研1309。