材料制备方法 考点总结

材料制备方法重点整理

第1章单晶材料的制备

1.单晶材料的四种制备方法

①气相法生长单晶vapor phase ②溶液法生长单晶aqueous phase

③熔体法生长单晶melt ④熔盐法生长单晶molten flux

2. 气相法生长单晶

①升华Sublimation- Condensation：将固体沿着温度梯度通过，晶体在管子的冷端从气相中

生长的方法。【常压升华（约1atm)：As、P、CdS 减压升华（<1atm): ZnS、CdI2、HgI2】②蒸气运输法Vapor transport growth：在一定的环境相下，利用载气来帮助源的挥发和输运，

从而促进晶体生长的方法。（常用载气：卤素W+3Cl2→WCl6）

③气相反应法Vapor reaction growth：各反应物直接进行气相反应从而生成晶体的方法。

例：GaCl3+AsCl3+H2→3GaAs + 6HCl

3. 溶液法生长单晶

①溶液蒸发法：通过溶剂挥发的手段促进晶体析出

②溶液降温法：在较高温度下制备出饱和溶液，利用溶解度随着温度下降而降低的

原理，促进晶体析出

③水热法：在高温高压下的过饱和水溶液中生长单晶的方法。主要装置为：高压釜。

例子：水晶，刚玉，方解石，氧化锌以及一系列的硅酸盐，钨酸盐和石榴石等。

④温差水热法：高压釜内部因上下部分的温差产生对流，将高温的饱和溶液带至籽

晶区形成过饱和溶液而结晶。冷却析出部分溶质的溶液又流向高温区，溶解原料。

循环往复至单晶生长完成。（图见右）

4. 熔体法生长单晶

①提拉法Czochralski method（会画示意图）

提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在

熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和

熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随

降温逐渐凝固而生长出单晶体。提拉法的生长工艺首

先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔

化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。

优点：1）可以直接观察晶体的生长情况，为控制晶体外形提供了有利条件。

2）晶体在熔体的自由表面处生长，不与坩埚接触，能够显著减小晶体的应力，并防止坩埚壁上的寄生成核。

3）使用定向籽晶或得特定取向的单晶体，降低位错密度，提高晶体的完整性。

缺点：1）一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染。

2）当熔体中更含有易挥发物时，则存在控制组分的困难。

②坩埚法Bridgeman method（会画示意图）

熔体在坩埚中逐渐冷却而生长单晶，坩埚可以垂直

或水平放置。制备过程为，在一定的温度梯度场中

移动坩埚，或者坩埚固定，移动加热炉或者降温。

优点：设备相对简单，生长很大直径单晶，形状可

通过设计坩埚来限制，可以在封闭体系中进行，防

止挥发性物质挥发。

缺点：不易观察，生长时有来自于坩埚的压力。

③区熔法（Zone melting method）

1）水平区熔法：与水平B-S方法类似，但熔区被限制在一个很小的

狭窄范围内，绝大多数材料处于固态。

特点：提纯加单晶生长

浮区法：多晶原料棒竖直放置，原料棒中有一小片熔化区域，靠表面张力

维系，熔区不断下移，完成单晶生长。

特点：无坩埚技术

④熔盐法生长：单晶在助熔剂辅助下形成高温溶液，并从熔融状态下生长

单晶的方法，原理与溶液法类似。

倒转法：坩埚倾斜法：

第2章薄膜材料的制备

1. 薄膜材料的四种制备方法

①物理气相沉积Physical vapor deposition ②化学气相沉积Chemical vapor deposition

③化学溶液镀膜法④外延制膜法

2. 薄膜形成机理

①核生长型：到达衬底的沉积原子首先凝聚成核，后续原子不断聚集在核附近，使核沿3维方向上不断长大形成岛。周围的岛不断扩大形成连续薄膜。（衬底与薄膜晶格不相匹配时出现）

②层生长型：沉积原子在衬底表面以单原子层的形式覆盖衬底，然后在三维方向上覆盖第二层，第三层。（衬底与薄膜晶格相匹配时出现）。。

③层核生长型：前两者的混合

3. 物理气相沉积Physical vapor deposition （PVD）

①真空蒸镀法：将沉积室抽真空，利用蒸发源对沉积材料进行加热，蒸发并沉积于基片上

蒸发源类型Heating methods：1）电阻丝Resistance heating

2）电子束Electron beam heating 3）射频感应High frequency heating

②溅射沉积Sputtering deposition

当高能粒子（通常是电场加速的正离子）冲击固体表面时，固体表面的原子，分子与这些高能粒子交换能量，从而由固体表面飞溅出来，最终在衬底上沉积成膜。

1）磁控溅射Magnetron sputtering：阴极靶附近建立一环状磁场，提高溅射效率和控制二次电子运动，靶材的利用率不高

2）离子束溅射：采用单独的离子源来轰击靶材的镀膜方法，真空度比磁控溅射高，膜质量高，膜生长速度慢，不适合大面积工作

③离子镀法：镀膜时，采用带能离子轰击衬底表面和膜层的镀膜技术。

目的：改善膜层的性能和质量。特点：在较低温度下镀膜并且膜层附着性良好。

4. 化学气相沉积Chemical Vapor Deposition（CVD）

基本原理：在一个加热的衬底表面上，通过一种或几种元素或化合物产生的化学反应，从而形成不挥发的固态膜层的过程。（过程：扩散吸附反应沉积解吸扩散）

前提条件：1）前驱体有高蒸汽压2）副产物易挥发3）基板和产物有低蒸汽压

分类：1）普通CVD 2）等离子化学气相沉积（PECVD）

3）光化学气相沉积（PCVD）借助于光能使反应气体分子分解，而不电离的技术。