晶体材料基础 晶体生长方法
晶体生长原理与技术
晶体生长原理与技术晶体是一种具有高度有序结构的固体材料，其结构和性质受到其生长过程的影响。
晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，包括温度、溶液浓度、溶剂选择、晶种质量等等。
本文将从晶体生长的基本原理和常见的生长技术两个方面进行探讨。
晶体生长的基本原理主要包括熔融法、溶液法和气相法。
熔融法是指将晶体原料加热至熔化状态，然后缓慢冷却，使晶体从熔融状态逐渐结晶出来。
溶液法是指将晶体原料溶解在溶剂中，通过控制溶液的温度、浓度和溶剂的选择，使晶体逐渐从溶液中析出。
气相法是指将晶体原料蒸发成气体，然后在一定的条件下使其在固体基底上生长成晶体。
这些方法各有优劣，可以根据具体的情况选择合适的方法进行晶体生长。
在晶体生长技术方面，常见的方法包括悬浮法、自组装法和气相沉积法。
悬浮法是指将晶体原料悬浮在溶液中，通过控制溶液的温度和浓度，使晶体逐渐生长出来。
自组装法是指利用分子自组装的原理，在固体基底上自发形成晶体结构。
气相沉积法是指将晶体原料蒸发成气体，然后在基底上沉积成晶体。
这些方法在不同的领域有着不同的应用，可以根据具体的需求选择合适的方法进行晶体生长。
晶体生长的过程受到多种因素的影响，其中温度是一个重要的因素。
温度的变化会影响晶体生长的速率和晶体的形貌，过高或过低的温度都会对晶体生长产生不利影响。
此外，溶液的浓度和溶剂的选择也会影响晶体的生长过程，合适的浓度和溶剂可以促进晶体的生长，提高晶体的质量。
晶种的质量也是影响晶体生长的重要因素，优质的晶种可以促进晶体的生长，并且对晶体的形貌和性能有着重要的影响。
总之，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
了解晶体生长的基本原理和常见的生长技术，可以帮助我们更好地控制晶体的生长过程，提高晶体的质量和产量。
希望本文对您有所帮助，谢谢阅读！。
晶体材料制备
晶体材料制备晶体材料制备是指通过一系列化学、物理、热学等方法，将物质由无序状态转变为有序排列的晶体结构，从而获得具有特定功能和性质的材料。
晶体材料的制备过程需要考虑多个方面的因素，如材料选择、晶体生长方法、晶体生长条件等。
本文将对晶体材料制备的基本原理和常见方法进行探讨。
一、晶体材料的选择晶体材料可以分为有机晶体材料和无机晶体材料两大类。
有机晶体材料包括有机分子晶体和有机高分子晶体，无机晶体材料包括无机溶液晶体和无机固体晶体。
在进行晶体材料制备时，需要根据具体应用需求选择不同的材料。
二、晶体生长方法晶体生长方法可以分为溶液法、气相法和熔融法等多种。
其中，溶液法是最常用的晶体生长方法之一。
1.溶液法：溶液法是通过在溶液中使溶质达到过饱和状态，然后通过温度变化、溶剂挥发等方法促使溶质从溶液中析出来形成晶体。
这是一种简单易行的晶体生长方法，适用于多种晶体材料的制备。
2.气相法：气相法是指将物质的气相逐渐降低温度，使其在固态下凝结成晶体。
常见的气相法包括气相输运法、凝结法和附加剂法等。
气相法适用于高熔点或易挥发物质的晶体制备。
3.熔融法：熔融法是通过将材料加热至熔点以上，使其熔化成液态，然后缓慢冷却使其形成晶体。
熔融法适用于高熔点材料的制备。
三、晶体生长条件晶体的生长受到温度、压力、溶液浓度、晶种种类等因素的影响。
在晶体材料制备过程中，需要控制这些因素以达到理想的晶体生长条件。
1.温度：温度是晶体生长的重要参数之一，过高或过低的温度都会影响晶体的生长速率和晶体质量。
通常需要通过试验确定最佳的生长温度。
2.压力：压力会影响晶体生长过程中的物质输运和晶体结构的稳定性。
在晶体的生长过程中，需要控制合适的压力以获得高质量的晶体。
3.溶液浓度：溶液浓度影响溶质在溶液中的过饱和度，从而影响晶体生长速率和晶体的形态、尺寸等。
通过调节溶液浓度，可以控制晶体的形貌和晶体生长速率。
四、晶体材料制备的应用领域晶体材料制备广泛应用于光电子器件、传感器、催化剂、生物医学等领域。
最全的材料晶体生长工艺汇总
最全的材料晶体生长工艺汇总材料晶体生长是一种重要的制备材料的方法，它可以获得具有优良性能的晶体材料，广泛应用于各个领域。
下面是一个最全的材料晶体生长工艺汇总，详细介绍了各种常用的生长方法和工艺步骤。
1.物质熔融法物质熔融法是最常用的晶体生长方法之一、它适用于高熔点物质的晶体生长，通过将材料加热到熔融状态，然后缓慢冷却，使晶体从熔融液中生长出来。
这种方法包括Czochralski法、Bridgman法等，它们的主要过程是将熔融物质加热至适当温度，然后撇去熔融液表面的杂质，然后用适当的速度慢慢降低温度，使晶体在逐渐凝固过程中从熔融液中生长出来。
2.溶液法溶液法是一种常用的低温晶体生长方法。
它适用于低熔点材料的晶体生长，通过将溶解了材料的溶液缓慢蒸发或者用化学反应生成晶体。
溶液法包括坩埚法、溶液蛹法、溶液冷温法等。
其中，坩埚法是将溶解到溶剂中的物质加热至溶解温度，然后慢慢冷却，使晶体从溶液中生长出来。
3.气相法气相法是一种高温高真空条件下进行晶体生长的方法。
它适用于高熔点、不易溶解或化学反应性强的材料的晶体生长。
气相法包括化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）等。
这些方法通过将气体或蒸汽中的原料转化成固态晶体，然后在衬底上生长出晶体。
4.熔盐法熔盐法是一种利用熔盐作为溶剂和晶体生长培养物质的方法。
它适用于高温高熔点材料的生长和掺杂晶体的制备。
熔盐法包括坩埚熔盐法和区域熔盐法等，其中坩埚熔盐法是将晶体原料和熔盐混合，加热至溶解温度，然后通过缓慢冷却使晶体从熔盐中生长出来。
5.拉伸法拉伸法是一种通过拉伸单晶将其变成纤维或片状晶体的方法。
这种方法适用于一些难以获得大尺寸单晶的材料，通过拉伸使晶体在拉应力下断裂，形成纤维或片状晶体。
总结：以上是最全的材料晶体生长工艺汇总，介绍了物质熔融法、溶液法、气相法、熔盐法和拉伸法等常用的生长方法和工艺步骤。
不同方法适用于不同的材料和应用领域，科学家可以根据具体情况选择最适合的生长方法，以获得优质晶体材料。
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。
材料学基础中的晶体生长
材料学基础中的晶体生长晶体是许多材料的重要结构基础，所以晶体生长的研究对于材料学有着至关重要的影响。
晶体生长是指在固体、液体或气体中某种物质形成晶体的过程，晶体的形成可以是自发的，也可以是人为地加速反应。
很多重要的材料，如半导体、金属、陶瓷等，都需要通过晶体生长来进行制备。
因此，晶体生长作为材料学的基础，在学习和研究中占有重要的地位。
1. 晶体的成长方式晶体的成长可以有多种方式，有些晶体的成长方式可能很快，而另一些则需要很长时间才能完成。
(1) 液相成长液相成长是指在溶液中，模板分子和溶液中其它分子结合而形成晶体的成长方式。
溶液中的溶质会在解离后形成离子或分子，这些离子和分子缓慢地进入结晶器，然后在结晶的表面聚集，逐渐形成晶体。
液相成长需要严格控制晶体的生长速度，否则就会导致不同方向的晶面生长速度不均匀，最终形成多种不同纯度和颗粒大小的晶体。
(2) 气相成长气相成长是指在气相中，模板分子在高温和高压条件下结合成为晶体的成长方式。
气相中的溶质在空气压力的作用下表现出反应活性，受到温度、压力、冷却速度等因素的影响，形成不同生长方向和形态的晶体。
(3) 固相成长固相成长是指随着晶体核心的长大，固体中相应的固相物质向着晶体核心聚集并成长。
固相成长是一种在极值条件下的成长方式，每个晶体的生长速度极为缓慢，需要一定的时间才能移动晶体核心。
2. 晶体成长机理晶体成长的机理比较复杂，主要受到以下因素的影响：(1) 溶液中的化学反应晶体的形成需要先有离子或分子发生化学反应形成，形成的离子或分子在晶体核心处结晶，逐渐贯穿细胞成长。
(2) 磁场作用磁场会影响晶体的形态和大小，磁场产生的电场可能会引起离子或分子的聚集并形成晶体。
(3) 温升作用当温度升高时，晶体中各种物质之间的相互作用能够促进晶体的生长。
温度过高时，物质的分解将会对晶体生长造成不利影响。
(4) 核形成条件核是晶体成长的核心，晶体生长的最终速度和晶体形态都与核的形成条件有关。
晶体生长ppt
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
微电子材料—晶体生长基本理论与技术
天然盐湖卤水蒸发
珍珠岩
5
3. 由固相变为固相：
同质多相转变，某种晶体在热力学条件改变的时候， 转变为另一种在新条件下稳定的晶体；
原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石灰 岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石组 成的大理岩；
细粒方解石
大理岩
6
3. 由固相变为固相：
固溶体分解，一定温度下固溶体可以分离成为几 种独立矿物；
19
气相中的均匀成核
晶胚有两种发展趋势： 1）继续长大，形成稳定的晶核； 2）重新拆散，分开为单个分子。
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液相中的均匀成核
晶体熔化后的液态结构是长程无序的； 在短程范围内却存在着不稳定的接近于有序
的原子集团； 它们此消彼长，出现结构起伏或叫相起伏。
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液相中的均匀成核
当温度降到结晶温度时，这些原子集团就可 能成为均匀成核的“胚芽”，称为晶胚。
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晶核的形成
非均匀成核：若新相优先在旧相某些区域中 存在的异质处成核，即依附于液相中的杂质 或外来表面成核。
18
气相中的均匀成核
在气-固相体系中，气体分子不停的做无规则的 运动；
能量高的气子发生碰撞后再弹开，这种碰撞类似 于弹性碰撞；
某些能量低的分子，可能在碰撞后连接在一起， 形成几个分子(多为2个)组成的“小集团”，称为 “晶胚”。
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经典成核理论
经典成核理论是基于热力学的分析，基本思 想是把成核视为过饱和蒸汽或溶质的凝聚；
设两个分子碰撞形成晶胚，从分子到晶胚的 变化看成一个体系。
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经典成核理论
体系吉布斯自由能的改变包括：
1、气相转变为晶胚(固相)，体积减小，体积自由能 减少，设体积自由能改变为△GV。 2、晶胚的生成，会形成一个固-气界面，需要一定 的表面能，其改变为△GS。
最全的材料晶体生长工艺汇总
最全的材料晶体生长工艺汇总提拉法提拉法又称直拉法，丘克拉斯基（Czochralski）法，简称CZ法。
它是一种直接从熔体中拉制出晶体的生长技术。
用提拉法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等多种重要的人工宝石晶体。
提拉法的原理：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，让籽晶下降至接触熔体表面，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，并在不断提拉和旋转过程中，最终生长出圆柱状的大块单晶体。
提拉法的工艺步骤可以分为原料熔化、引晶、颈缩、放肩、等径生长、收尾等几个阶段。
具体过程如示意图。
提拉法晶体生长工艺有两大应用难点：一是温度场的设置和优化；二是熔体的流动和缺陷分析。
下图为提拉法基本的温度场设置以及五种基本的熔体对流模式。
在复杂的工艺条件下，实际生产需要调整的参数很多，例如坩埚和晶体的旋转速率，提拉速率等。
因此实际中熔体的温度场和流动模式也更复杂。
下图是不同的坩埚和晶体旋转速率下产生的复杂流动示意图。
这两大应用难点对晶体生长的质量和效率都有很大影响，是应用和科研领域中最关心的两个问题。
通常情况下为了减弱熔体对流，人为地引入外部磁场是一种有效办法，利用导电流体在磁场中感生的洛伦兹力可以抑制熔体的对流。
常用的磁场有横向磁场、尖端磁场等。
下图是几种不同的引入磁场类型示意图。
引入磁场可以在一定程度上减弱对流，但同时磁场的引入也加大了仿真模拟的难度，使得生长质量预测变的更难，因此需要专业的晶体生长软件才能提供可靠的仿真数据。
晶体提拉法有以下优点：（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得优质取向的单晶；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体光学均一性高。
晶体提拉法的不足之处在于：（1）坩埚材料对晶体可能产生污染；（2）熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。
晶体材料基础第九讲晶体生长方法优选文档
就必须掌握溶质在水中的溶解度及溶解度随温度的变化，并在溶液中 放上一个或几个籽晶，使溶质在籽晶上析出，慢慢地沿着一定的结构 方向生长。
使用这种方法，生长温度很低，生长设备简单，而且容易长成大块的、 均匀性良好又有完整外形的晶体，但是生长速度很慢，生长周期长。
分
水热法
类
高温溶液法 （助熔剂法、熔盐法）
生长条件
压力
温度
溶剂
水溶液生长 水热法
高温溶液法
常压 高压(200-10000atm)
常压
低温( <100oC) 高温(200-1100oC)
高温(1000oC)
水（+无机盐） 水+矿化剂
低熔点 助溶剂
A、水溶液生长
从海水中提取食盐就是水溶液生长晶体最简单的例子。 ——用日晒蒸发让NaCl从海水中自发形成晶核，随意生长。
（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。
（5）重量比：溶质克数 / 100g(or 1000g)溶剂。
不同的浓度表示方式适用于不同的场合，在溶解度数据中 经常使用（3）和（5）。
2、溶解度和溶解度曲线 ( 1）溶解度
过饱和曲线将过饱和溶液分为亚稳区和不稳区。
溶液状态图
t t*
不饱和溶液区 过饱和溶液区
稳定区 亚稳区 不稳区
不可能发生结晶现象
不会发生自发结晶，如将籽晶放入 溶液中，晶体就会在籽晶上生长 自发地发生结晶现象
材料科学中的晶体生长和制备技术
材料科学中的晶体生长和制备技术晶体作为固体物质的一种形态，具有非常广泛的应用前景，比如电子材料中的晶体管、以及各种光学、光电、磁学等领域的材料与器件等等。
所以，晶体生长和制备技术的研究和发展一直是材料科学中的一个重要领域。
本文将从各个角度介绍晶体生长和制备技术的相关知识，包括晶体的种类、晶体生长的基本原理和传统方法、以及新型晶体生长和制备技术的趋势和进展。
一、晶体的种类晶体可以分为自然晶体和人工晶体两类。
自然晶体是指由于地球内外部自然作用而自然形成并能满足晶体学定义的晶体。
最著名的自然晶体是宝石，比如钻石、蓝宝石、红宝石、绿松石等等，以及各种矿物晶体，比如方铅矿、硫黄、石英、长石等等。
人工晶体是指在实验室或生产中通过某种方法人工制造的晶体，其分类方法有时与自然晶体不同。
按照晶体结构分类，人工晶体可以分为单晶和多晶两类。
其中，单晶是由单个晶粒组成，其表面和内部完全是有序和规则的，多晶是由多个晶粒组成，这些晶粒在大小、形状和方向上都存在差异。
二、晶体生长的基本原理和传统方法晶体是在无序的状态下，由于质点在分子间跳动，逐渐形成高度有序的晶体。
晶体生长的关键是通过调节生长条件，使得分子有序堆积形成晶核，随着分子的源源不断地进入，使得晶体不断生长。
传统的晶体生长方法主要有三种，分别是溶液法、气相法和熔体法。
1、溶液法溶液法是在某种溶液中，通过控制溶液的化学配比、温度和pH值等因素，促使晶核产生，并使其逐渐生长为完整的晶体的方法。
溶液法生长的晶体种类非常多，包括半导体晶体、氧化物晶体、单质晶体等等。
其中，半导体材料GaAs是典型的溶液法生长的晶体。
2、气相法气相法是利用充满某种气体的封闭舱室，在一定的温度、气体压力和化学反应条件下，使气体中的物质逐渐沉积在阴极或其它可以作为晶核的物体表面逐渐生长晶体的方法。
气相法适用于无机晶体和半导体材料，比如Si、Ge等。
3、熔体法熔体法是用固体物体和其它物质融合成为一种熔体，在特定温度下控制好熔体的化学组成和熔化程度，使熔体逐渐冷却并形成晶体的方法。
晶体生长方法简介
05
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。
THANKS
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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
1 2
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。
3
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。
晶体材料基础---第十讲 晶体生长方法(2)
生长出了3英寸6H-SiC单晶。
SiC光电元器件
SiC肖特基二 极管
3英寸SiC的场效应 管基片
SiC二极管与传统Si二极管的比较
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC 原料的升华和晶体的再生长在一 个封闭的石墨坩埚内进行，坩埚处于 高温非均匀热场中。 SiC 原料部分处 于高温中，温度大约在 2400~2500 摄
将炉 温 控制至 1160℃,
GaN单晶 0.5μm
在 GaN 缓 冲 层 上 生 长
一层 0.5μm 厚的 GaN 单 晶。
蓝宝石衬底(430μm)
标准GaN外延生长流程
（五）长N型GaN 将炉温控制至 1160℃， 长 GaN 的同时掺 Si （浓 度 5-108/cm3 ） ， 时 间 1
蓝宝石衬底(430μm)
（3）可能排除有害气体。
标准GaN外延生长流程
（一）高温除杂
反应室炉温升高1200℃，
通入氢气，高温、燃烧除
去衬底上的杂质，时间 10min。
蓝宝石衬底 (430±5μm)
高温、通H2 10min
标准GaN外延生长流程
（二）长缓冲层 炉温降底控制在 530℃ 时 ， 在 蓝 宝 石 衬底上生长一层300Å
氏度。碳化硅粉逐渐分解或升华，产
生 Si 和 Si 的碳化物混合蒸汽，并在温 度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温区
域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长
为晶体。
2. 溅射法
溅射法是利用荷电粒子 在加速电场作用下轰击靶材， 使靶材中的原子被溅射出来， 并在衬底上沉积，实现晶体 生长的技术。 需注意的问题：
溅射法晶体生长 基本原理
N－GaN GaN 蓝宝石衬底(430μm)
晶体生长原理与技术
晶体生长原理与技术晶体生长是指无定形物质逐渐形成有序排列的晶体结构的过程。
晶体生长的原理和技术在材料科学、化学工程、地质学等领域都有着重要的应用。
本文将介绍晶体生长的基本原理和常见的生长技术，希望能够为相关领域的研究者和工程师提供一些参考。
晶体生长的原理主要包括热力学和动力学两个方面。
热力学上，晶体生长是在适当的温度、压力和化学势条件下，通过原子、分子或离子的有序排列形成晶体结构。
动力学上，晶体生长受到核形成、生长和形貌稳定性等多个因素的影响。
在实际应用中，热力学和动力学的相互作用决定了晶体生长的过程和结果。
晶体生长的技术包括自发晶体生长和人工晶体生长两种类型。
自发晶体生长是指在自然条件下晶体从溶液、气相或熔体中沉积生长的过程。
常见的自发晶体生长技术包括溶液结晶、气相沉积和熔融结晶等。
人工晶体生长是指通过人为控制条件来促进晶体生长的过程。
常见的人工晶体生长技术包括气相输运法、熔融法、溶液法和固相法等。
在晶体生长技术中，溶液法是应用最为广泛的一种技术。
溶液法是指将溶剂中的溶质逐渐沉积形成晶体的过程。
在溶液法中，溶剂的选择、溶质的浓度、溶液的温度和搅拌速度等因素都会对晶体生长的过程产生影响。
另外，溶液法还包括了一些特殊的技术，如悬浮溶液法、凝胶溶液法和水热法等，这些技术在不同领域都有着重要的应用。
除了溶液法，气相沉积也是一种常见的晶体生长技术。
气相沉积是指通过气相中的原子或分子沉积在基底表面上形成晶体的过程。
在气相沉积技术中，通常会选择适当的气相载体和反应条件来控制晶体的生长方向和形貌。
气相沉积技术在半导体材料、功能薄膜和纳米材料等领域有着广泛的应用。
总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，涉及到热力学、动力学和多种技术的相互作用。
通过深入理解晶体生长的原理和技术，可以更好地控制和应用晶体材料，为材料科学和工程技术的发展提供新的思路和方法。
希望本文能够对相关领域的研究和实践有所帮助。
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。
晶体的生长
形成一个半径为r的球形晶胚 时，体系的总自由能的变化：
G GS GV 4 3 G 4 r r gV 3
2
—
单位表面积的表面能；
g V — 形成单位体积晶胚的自由能改变量；
G GS GV 4 3 G 4 r r gV 3
2
临界半径
1. r<r*的晶胚，消失的几率大于 长大的几率； 2. r=r* 晶胚长大与消失的几率相 等；（临界晶核） 3. r*<r<r0 晶胚长大的几率大于 消失的几率；（r增大使体系 的自由能降低，但是ΔG>0， 晶胚不稳定;亚稳晶核）
稳定半径
4. r>r0 ΔG<0 晶胚能稳定长核
G GS GV 4 3 G 4 r r gV 3
2
非均匀成核
* G非均 G* 均 f ( )
过饱和度、过冷度大，ΔgV 就大，相应的r*、ΔG*就小， 容易均匀成核。 制备微晶
通过籽晶、衬底来控制。
制备单晶
4、晶核的长大
旧相原子进入晶体格点成为晶体相的过程。 1）完整突变光滑面生 长模型（W. Kossel 模 型） 当晶体表面上一层原子 尚未完全生长完成时， 下一个原子应生长在晶 格的什么位置？ 当晶体表面上一层原子 已经生长完成时，下一 个原子应生长在晶表面 的什么位置？
2）非完整突变光滑面模型 （Frank模型；螺旋位错生长模型） 在生长晶面上，螺旋位错 露头点可作为晶体生长的 台阶源，当原子在台阶处 生长，台阶就螺旋向前推 进，晶体就螺旋形的生长。
由于螺位错露头点是固定的， 在晶体生长过程中，靠近中心处只 要填加少量原子就能生长一周。而 在台阶外端需要大量的原子才能生 长一周。结果使原来的一个直线台 阶逐渐长成螺旋状。
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
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。
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。
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11
溶液状态图
t t*
不饱和溶液区 过饱和溶液区
稳定区 亚稳区 不稳区
不可能发生结晶现象
不会发生自发结晶，如将籽晶放入 溶液中，晶体就会在籽晶上生长 自发地发生结晶现象
从溶液中生长晶体都是在亚稳区进行的。
12
亚稳区大小可用过饱和度（或过冷度）来估计。
13
4、溶液的饱和温度、溶解度和过饱和度的测量方法： 溶液达到饱和状态时的温度，称为溶液的饱和温度。 准确地测量溶液的饱和温度是下籽晶（种子）操作的前
提，也是测定溶解度和过饱和度的基础。
常用的测定饱和温度的方法有： 平衡法
浓度涡流法
和光学效应法。
（1）平衡法
在接近饱和的溶液中，放入一些固体溶质，在一定的温
液称为该物质的饱和溶液。
▪ 溶解度曲线实际上是给出不同温度下的饱和溶液的浓度， 所以溶解度溶解度曲线也称为饱和曲线。
过饱和溶液：某温度时，溶液浓度大于平衡浓度。
不饱和溶液：某温度时，溶液浓度小于平衡浓度。
▪ 过饱和状态是从溶液中生长晶体的前提条件。 ▪ 所有的晶体生长过程都是在过饱和溶液中进行的，非平衡
第八讲 晶体生长技术（1）
晶体生长方法：
(1) 溶液生长 (2) 熔体生长 (3) 气相生长 (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 助熔剂法
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
在一定的温度和压力下，饱和溶液的浓度为该物质的溶 解度。
饱和溶液：与溶质固相处于平衡的溶液称为该平衡状态下该 物质的饱和溶液。
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。
8
(2) 溶解度曲线 把不同温度下的溶解度用一条平滑的曲线连接起来（特殊情
况下有拐点）所得到的曲线称为溶解度曲线（标记为） 。
浓 度
选择从溶液中生长晶体的方 法和温度区间的重要依据。
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3、饱和与过饱和溶液
饱和溶液：与溶质固相处于平衡状态的溶
分
水热法
类
高温溶液法 （助熔剂法、熔盐法）
生长条件
压力
温度
溶剂
水溶液生长 水热法
高温溶液法
常压 高压(200-10000atm)
常压
低温( <100oC) 高温(200-1100oC)
高温(1000oC)
水（+无机盐） 水+矿化剂
低熔点 助溶剂
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A、水溶液生长
从海水中提取食盐就是水溶液生长晶体最简单的例子。 ——用日晒蒸发让NaCl从海水中自发形成晶核，随意生长。
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）
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一、溶液和溶解度 1、溶液和溶液浓度 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。 ➢ 由溶质和溶剂组成。 ➢ 通常将溶液中含量较多的组分称为溶剂，较少的为溶质。 溶液浓度：
一定量的溶液中含有溶质的量称为溶液的浓度。
6
❖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。
（5）重量比：溶质克数 / 100g(or 1000g)溶剂。
不同的浓度表示方式适用于不同的场合，在溶解度数据中 经常使用（3）和（5）。
7
2、溶解度和溶解度曲线 ( 1）溶解度
要获得光学质量好、尺寸大的单晶，就必须严格控制晶体的生长速度， 使构成晶体的离子严格按照其点阵结构各就各位地进行排列，形成结 构完整的晶体，
就必须掌握溶质在水中的溶解度及溶解度随温度的变化，并在溶液中 放上一个或几个籽晶，使溶质在籽晶上析出，慢慢地沿着一定的结构 方向生长。
使用这种方法，生长温度很低，生长设备简单，而且容易长成大块的、 均匀性良好又有完整外形的晶体，但是生长速度很慢，生长周期长。
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 导模法
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
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（一）溶液法晶体生长
基本原理是将晶体原料（溶质）溶解在溶剂中，采取适当的
措施使溶液达到过饱和状态，使晶体在其中生长。 水溶液生长
✓ 过饱和，晶体呈生长现象。晶体附近的溶液由于溶质在 晶体上析出，浓度变小，形成向上运动的液流，生长涡 流。
• 距饱和温度越远，涡流越明显； • 在饱和温度下，涡流完全消失。 ➢ 精确度 0.1-0.5oC
过程。
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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。
度下不断搅拌，直到溶液中剩余少量固体不再溶为止。
此时溶液的温度即可看成是溶液的饱和温度。
➢ 此方法较简单，但达到平衡所需时间较长，且精确度低，0.5-1oC
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（2） 浓度涡流法 用尼龙绳将一小块晶体悬挂在其接近饱和温度的溶液中， 仔细观察晶体及其附近的液流情况。
✓ 如果溶液不饱和，晶体溶解；靠近晶体表面的溶液，其 浓度大于周围溶液浓度，因而变得较重而向下运动，形 成一股向下的液流，溶解涡流。