材料常用制备方法

材料常用制备方法

一．晶体生长技术

1．熔体生长法【melt growth method】（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）

1.1 提拉法

特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体

b.生长速度快，单晶质量好

c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产

1.2 坩埚下降法

特点：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。

1.3 区熔法

特点：a.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

b.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

c.有时也会固定加热器而移动原料棒

1.4 焰熔法

特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m）

b.适用于制备高熔点的氧化物

c.缺点是生长的晶体内应力很大

1.5 液相外延法

优点：a.生长设备比较简单；

b.生长速率快；

c.外延材料纯度比较高；

d.掺杂剂选择范围较广泛；

e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；

f.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：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；

b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；

c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。

2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶)

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

2.2 水热法【Hydrothermal Method】

特点：a. 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

b. 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

2.3 高温溶液生长法（熔盐法）

特点：a.使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂

b.常用溶剂：

液态金属

液态Ga（溶解As）

Pb、Sn或Zn（溶解S、Ge、GaAs）

KF（溶解BaTiO3）

Na2B4O7（溶解Fe2O3）

c.典型温度在1000 C左右

d.利用这些无机溶剂有效地降低溶质的熔点，能生长其他方法不易制备的高熔点

化合物，如钛酸钡BaTiO3

二．气相沉积法

1. 物理气相沉积法(PVD)【Physical Vapor Deposition】

1.1 真空蒸镀【Evaporation Deposition】

特点：a.真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面；

b.常用镀膜技术之一；

c.用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜；

d.具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜

分类：电阻加热法、电子轰击法

1.2 阴极溅射法（溅镀）【Sputtering Deposition】

原理：利用高能粒子轰击固体表面（靶材），使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，然后在基片（工件）的表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜。

分类：二极直流溅射【Bipolar Sputtering】

高频溅镀【RF Sputtering】

磁控溅镀【magnetron sputtering】

1.3 离子镀【ion plating】

特点：a.附着力好（溅镀的特点）

b.高沉积速率（蒸镀的特点）

c.绕射性

d.良好的耐磨性、耐磨擦性、耐腐蚀性

2. 化学气相沉积法（CVD）【Chemical Vapor Deposition】

按反应能源：

2.1 Thermal CVD

特点：a.利用热能引发化学反应

b.反应温度通常高达800~2000℃

c.加热方式

电阻加热器

高频感应

热辐射

热板加热器

2.2 Plasma-Enhanced CVD (PECVD)

优点：a.工件的温度较低，可消除应力；

b.同时其反应速率较高。

缺点：a.无法沉积高纯度的材料；

b.反应产生的气体不易脱附；

c.等离子体和生长的镀膜相互作用可能会影响生长速率。

2.3 Photo CVD

特点：a.利用光能使分子中的化学键断裂而发生化学反应，沉积出特定薄膜。

b.缺点是沉积速率慢，因而其应用受到限制

按气体压力：

2.1 常压化学气相沉积法（APCVD）【Atmospheric Pressure CVD】

特点：a.常压下进行沉积

b.扩散控制

c.沉淀速度快

d.易产生微粒

e.设备简单

2.2 低压化学气相沉积法（LPCVD）【Low Pressure CVD】

特点：a.沉积压力低于100torr

b.表面反应控制

c.可以沉积出均匀的、步覆盖能力较佳的、质量较好的薄膜

d.沉淀速度较慢

e.需低压设备

三．溶胶-凝胶法【Sol-Gel Process】（通过凝胶前驱体的水解缩合制备金属氧化物材料的湿化学方法）

优点：a.易获得分子水平的均匀性；

b.容易实现分子水平上的均匀掺杂；

c.制备温度较低；

d.选择合适的条件可以制备各种新型材料。

缺点：a.原料价格比较昂贵；

b.通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周。

c.凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收

缩

四．液相沉淀法【liquid-phase precipitation】（在原料溶液中添加适当的沉淀剂，从而形成沉淀物）

1. 直接沉淀法【Direct precipitation】

特点：a.操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。

b.洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒径分布较宽，分散性较差

2. 共沉淀法【Coprecipitation】

特点：a.可避免引入对材料性能不利的有害杂质；

b.生成的粉末具有较高的化学均匀性，粒度较细，颗粒尺寸分布较窄且具有一定

形貌；

c.设备简单，便于工业化生产

3. 均匀沉淀法【Homogeneous precipitation】

特点：a.沉淀剂由化学反应缓慢地生成

b.避免沉淀剂浓度不均匀

c.可获得粒子均匀、夹带少、纯度高的超细粒子

d.沉淀剂：

尿素——合成氧化物、碳酸盐