单晶材料的制备-周大利2015
单晶材料及其制备
单晶材料及其制备单晶材料是一种具有一致原子晶格排列形式的材料，即从任何一个角度观察，其内部原子排列方式都是一致。
由于其内部没有显著的晶格突变和晶界，使得单晶材料展现出许多优越的性能。
如单晶硅在微电子行业中的应用，单晶超导体在高温超导领域的应用，以及单晶铜和单晶金在纳米科学技术中的利用等制备单晶材料的方法有很多种，包括Bridgmann法，Czochralski法，气相沉积，液相外延，分子束外延等。
Bridgmann法是一种常用的单晶生长方法，适用于制备高熔点的材料。
其工艺流程通常为先将预制的多晶物料装入石英管中，并将其密封，然后将石英管放入高温炉中，并控制炉的加热，当材料达到其熔点时，再通过调整炉的冷却来使材料逐渐凝固形成单晶。
Czochralski法是制备单晶硅最常用的方法。
首先，将多晶硅放入高频感应炉中熔化，然后将一根种晶（已知晶向的单晶体）浸入熔融的硅中，接着慢慢提出并同时旋转，通过控制提拉速度和转速，可以在种晶上生长出单晶硅。
气相沉积法是通过将原料气体引入反应室，并在适当的条件下，使其在基底表面产生化学反应，从而生成薄膜的方法。
其优点是可以控制膜的成分，厚度和制备薄膜的区域。
液相外延法是一种在溶液中生长单晶的方法，其原理是通过将溶质溶解到溶剂中，然后通过降低温度或增加插入的材料，使溶质在基底表面从溶液中析出，从而形成单晶的过程。
分子束外延法是一种在超高真空条件下，通过将单元元素或化合物材料的原子或分子束射向基底表面，使其在基底上生长出单晶薄膜的方法。
该方法的优点是可以在低温度下生长出高质量的薄膜，且可以控制薄膜的厚度和乃至单层原子的厚度。
随着科学技术的发展，对单晶材料的要求和利用也在不断提高和深化，因此，对单晶材料的制备方法不断进行改进和创新，以适应不断变化和提高的需求。
如现在已经出现的脉冲激光沉积法，超临界流体沉积法等新的单晶制备方法。
不仅提高了单晶材料的制备效率，而且提高了单晶材料的质量和性能。
《如何制备单晶》课件
# 如何制备单晶
什么是单晶
单晶是由具有完整晶格结构的原子或分子组成的固体材料。它们具有高度的结晶性和均匀性，通常表现为确定 的外形和可重复的性质。
制备单晶的方法
液相法
液相法是将溶剂和溶质中的某些成分充分混合，通过控制温度和浓度，使溶液中的晶核成长 为完整的单晶。
气相法
气相法是通过将气体中的物质在特定条件下沉积到衬底上，形成单晶。常用的气相法有化学 气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
of Functional Materials. Advanced Materials, 30(28), 1704681. 3. Li, Z., & Yu, L. (2019). Recent Advances in Maskless Patterning of
Emerging Two-Dimensional Materials toward Mechanically Flexible Electronies, 4(12), 1900695.
熔块法
熔块法是将物质加热至熔点后迅速冷却，形成单晶。这种方法常用于金属和合金的制备。
熔盐电解法制备单晶的步骤
1
第一步：准备试样
选择适当纯度的原料，进行加工和制备符
第二步：制备熔盐
2
合要求的试样。
选择合适的熔盐，根据所需单晶材料的性
质和要求进行配制。
3
第三步：制备电池
将试样和熔盐放入电解池中，构建电解电
结论
通过不同的制备方法和步骤，可以制备出高质量和纯度的单晶材料。选择适 当的制备方法对于研究和应用具有重要意义。
参考文献
1. Smith, J. (2020). Single Crystal Growth Techniques. Wiley Online Library. 2. Zhang, Y., & Wang, X. (2018). Advances in Single Crystal Growth
单晶材料及其制备
单晶材料及其制备单晶材料是指具有完整晶体结构的材料，其晶体结构沿特定方向没有任何界面或晶界。
单晶材料的结晶性能和物理性能优于多晶材料，因此在许多领域中有广泛应用，如电子器件、光学器件、航空航天等。
本文将介绍单晶材料的制备方法、一些常见的单晶材料及其应用。
制备单晶材料的最常用方法是晶体生长方法，主要有凝固法、浮区法、溶液法和气相法等。
凝固法是指通过控制材料的冷却速度使其从熔融态逐渐冷却成为固态。
这种方法适用于高熔点的材料，一般利用高温熔融状况下的材料来制备单晶材料。
其中，常用的方法有慢冷法、拉布拉多法、修正巨晶法等。
浮区法是通过在两个石英管之间形成液体浮区，将镁铝尖晶石单晶材料逐渐生长出来。
过程中，石英管内加入反应物，通过加热使其熔化，并在石英管之间产生上下移动的浮区，由于石英管之间温度梯度的存在，浮区中的反应物在降温的过程中逐渐结晶并生长成单晶材料。
溶液法是将所需物质溶解在溶剂中，通过控制温度和溶剂挥发速度，使溶液逐渐达到饱和状态并结晶成单晶材料。
其中，常见的溶液法包括溶液蒸发法、有机金属溶胶-凝胶法和溶剂热法等。
气相法是通过控制气体混合物在合适的条件下在衬底上生长单晶材料。
常见的气相法有气体输运法、金属有机化合物气相沉积法和气相石墨化等。
常见的单晶材料包括硅、镁铝尖晶石、硫化镉、硼化镍、石墨等。
其中，硅是最常见的单晶材料之一，广泛应用于半导体制造、光学器件等领域。
硅具有优异的光电性能和机械性能，具备较高的载流子迁移率和导热性能，被广泛应用于电子器件制造中。
此外，硫化镉是一种重要的半导体材料，具有宽的能带间隙和高的光电转换效率，被广泛应用于太阳能电池和激光器等光电器件。
在航空航天领域，单晶材料也有广泛应用。
例如，单晶高温合金被用于制造航空发动机中的叶片和涡轮叶片，因其具有高强度、耐热性和抗腐蚀性能，能够承受高温和高压工况环境。
此外，单晶超合金也被广泛应用于航空发动机的燃烧室和喷嘴等部件。
总之，单晶材料具有独特的结晶结构和优异的物理性能，在电子器件、光学器件、航空航天等领域有广泛应用。
单晶材料的制备.共38页文档
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
单晶材料的制备.
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
单晶材料的制备周大利
无单位量单位应变概念
• 机械零件和构件等物体内任一点（单 元体）因外力作用引起的形状和尺寸的相 对改变。与点的正应力和切应力(见应力) 相对应，应变分为线应变和角应变。零件 变形后，单元体体积的改变与原单元体体 积之比，称为体积应变。线应变、角应变 和体积应变都是无量纲的量。
• 当单元体各个面上的切应力都 等于零，而只有正应力作用时，称 该单元体为主单元体，它的各个面 称为主平面，各主平面交线的方向 称为主方向。沿主方向的线应变称 为主应变。当外力卸除后，物体内 部产生的应变能够全部恢复到原来 状态的，称为弹性应变；如只能部 分地恢复到原来状态，其残留下来 的那一部分称为塑性应变。
形变再结晶理论
• 再结晶驱动力
用应变退火方法生长单晶，通常是通过塑性变形 ，然后在适当的条件下加热等温退火，温度变化不能 剧烈，结果使晶粒尺寸增大。
21
形变再结晶理论
• 再结晶驱动力 结晶通常是放热过程
22
形变再结晶理论
• 再结晶驱动力
ΔG1-2≈W-q＞0
结晶产生应变不是一个自发过程，反过来 ，通过应变产生结晶（到无应变）是一个自发 过程，即退火是自发过程；
消除应变的速 度将显著提高
提提 高高 原点 子阵 的振 迁动 移的 率振
幅
25
形变再结晶理论
• 再结量驱动力
结论：
退火的目的是加速消除应变，在退火期间晶粒 的尺寸增加，一次再结晶的发生，可以通过升高温度 而加速。
原子必须运动才能使晶粒长大，并且晶界处的 原子容易运动，晶粒也容易长大。材料应变后退火， 能够引起晶粒的长大。
• 锻造件
• 锻造件会引起应变，还可以引起加工硬化。锻造
件的应变一般是不均匀的，锻造件往往不仅仅是用于
第二章薄膜的制备-2015
2.1.1蒸发的分子动力学基础
密闭容器内存在某种物质的凝聚 相和气相时，气相蒸气压p通常是温 度的函数。 在凝聚相和气相之间处于动态平 衡时，从凝聚相表面不断向气相蒸 发分子，同时也会有相当数量的气 相分子返回到凝聚相表面。
根据气体分子运动论，单位时间 内气相分子与单位面积器壁碰撞的分子 数，即气相分子的流量J，可以表示为：
两种不同温度的混合气体分子的 平均自由程的计算比较复杂。假设 蒸发元素与残留气体的温度相同， 设蒸发气体分子半径为r，残留气体 分子半径为r'残留气体压力为p．则 根据气体分子运动论，其平均自由 程L为:
2.1.2 蒸发源 1．蒸发源的组成 蒸发源一般有三种形式，如下图所示。一般 而言，蒸发源应具备三个条件：能加热到平衡 蒸气压在1.33~1. 33×l0-2Pa时的蒸发温度；要 求坩埚材料具有化学稳定性；能承载一定量的 待蒸镀原料。蒸发源的形状决定了蒸发所得镀 层的均匀性。
在日常生活中的应用
•
我们研究的是固体薄膜，而实 际中还有气体薄膜，液体薄膜和介 于液体与固体之间的胶体薄膜(如细 胞薄膜);这些薄膜有着不可估量的 发展前景。
•
由于薄膜固体表面的自由能比块材高， 而且不具有三维性质而多表现为二维性质， 使得表面呈现一些独特的功能。当块体厚度 逐渐减小，块材的性质就慢慢消失，而只表 现出来表面性质。所以，从膜所呈现的特性 出发，可把表面性质优先的膜称为薄膜，而 把块材性质优先的薄膜称为厚膜。由于薄膜 很薄，加之结构因素和表面效应，会产生许 多块材所不具备的新特性、新功能。
从理论上分析，蒸发源有两种类型，即点源和微面源。 点源可以是向各方向蒸发，如图所示,若某段时间内蒸 发的全部质量为Mo，则在某规定方向的立体角dω内， 物质蒸发的质量为：
单晶材料制备讲解
单晶材料制备讲解单晶材料，也称为单晶体材料，是指具有高度有序排列的晶格结构的材料。
单晶材料具有优异的物理性能和工程性能，广泛应用于电子、光电、能源等领域。
本文将从单晶材料的制备方法、过程控制以及相关应用方面进行讲解。
单晶材料的制备方法主要有凝固法、挤压法和化学气相沉积法等。
其中，凝固法是最常用的制备单晶材料的方法之一、其基本思路是通过控制材料的凝固速度和晶体生长方向，使材料分子有足够时间自发有序排列，形成单晶。
凝固法主要分为一次结晶法、拉晶法和悬浮法。
一次结晶法是指将溶解或熔融状态的材料逐渐冷却，使其凝固成单晶。
这种方法适用于高熔点材料，如金刚石、硅和锗等。
拉晶法是指将溶解或熔融状态的材料通过拉扯的方式进行凝固，使其逐渐形成单晶。
这种方法适用于延展性好的材料，如硅和锗等。
悬浮法是指将溶解或熔融状态的材料悬浮在惰性气体或真空环境中，通过生长环境的控制使其凝固成单晶。
这种方法适用于高熔点和有毒材料，如锗和各种化合物单晶等。
挤压法是指将溶解或熔融状态的材料通过外力挤压，使其逐渐形成单晶。
这种方法适用于一些高温材料，如硅和碳化硅等。
化学气相沉积法是指将气体或液体形式的原料通过化学反应沉积在基底上，形成单晶。
这种方法适用于生长高质量的陶瓷膜或金属薄膜。
化学气相沉积法的具体实施过程复杂，需要控制多种参数，如气体成分、流量、压力和温度等。
单晶材料的制备过程需要严格控制多个参数，如温度、压力、浓度、物质比例和晶种性质等。
其中，温度是最关键的参数之一，它直接影响晶格的稳定性和晶体生长速率。
另外，晶种的选择也是制备单晶材料的关键环节，晶种应具有高度有序的晶格结构和晶面性能，能够为晶体生长提供良好的参考。
单晶材料在电子、光电、能源等领域有着广泛的应用。
在电子领域，单晶材料被广泛应用于制备晶体管、集成电路、纳米器件等。
在光电领域，单晶材料可用于制备激光器、光纤、太阳能电池等。
在能源领域，单晶材料可用于制备高效电池、燃料电池、热电器件等。
太阳能单晶的制备及操作方法
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24
3.2.3 高纯氩气（见下图）
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3.2.4 籽晶（见下图）
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• 3.2.5 掺杂剂
• 3.2.6 辅助工具：用于装拆炉取晶棒的不 锈钢手推车和装拆热场用的专用工具。
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3.2.7 劳防用品（见下图）
一次性洁净塑料手套 套
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3.1.4 复拉料（见下图）
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3.1.5 边皮料（见下图）
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• 3.1.6 废电路片（见下图） • 3.1.7 太阳能电池废片（见下图） • 3.1.8 集成电路废片（见下图）
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3.2 辅助材料
• 3.2.1 石英坩埚（见下图）
• 5.3.1煅烧分新老石墨二种：
• 5.3.1.1 新石墨的煅烧无确定的时间，应 经过多次煅烧经确认符合使用要求后方 可投入正常使用。煅烧的具体方法，参 照专门制定的有关煅烧的操作规程。
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• 5.3.1.2 老石墨因已使用过，只因耽搁时 间过长，只需将所含水分烧尽即可，一 般只需煅烧1-2小时即可。
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• 5.4.1.14 装料时如发现手套破裂应及时更 换。
• 5.4.1.15 装料时一旦有料掉在外面不能再 放入埚内，以免造成沾污。
• 5.4.1.16 料装完后用吸尘器吸除装料时散 落在外面的硅屑与杂物。
• 5.4.1.17 将埚位降至最低熔料位置。
• 5.4.1.18 用丝光毛巾或无尘纸蘸少许无水 乙醇擦净炉盖，炉盖上部及隔离阀的密 封处，以保证下一步的抽空顺利进行。
一种亚微米级或微米级单分散单晶导电金球及其制备方法
一种亚微米级或微米级单分散单晶导电金球及其制备方法说实话，一种亚微米级或微米级单分散单晶导电金球及其制备方法这事，我一开始也是瞎摸索。
我最开始就想啊，要做这个金球，那得从材料选起。
我试过好多不同的金属材料，有些纯度不够，这做出来的球啊就根本不达标。
就像盖房子，材料要是歪瓜裂枣的，房子肯定建不好，所以这个基础金属材料一定得是高纯度的。
然后就是制备过程了。
我尝试过化学还原法。
这就有点像把一堆零件组装成一个完整的东西，要把该加的试剂按照一定顺序和比例加进去。
我刚开始的时候，比例总是掌握不好，不是这个多了，就是那个少了，做出来的金球要么大小不均匀，要么就不是单分散的，很是懊恼。
我就一次次地调整比例，就像调配方似的，今天多点这个，明天少点那个，这期间失败了好多回。
有一次我觉得温度应该也是个关键因素。
我加热的时候，没有能很精准地控制温度，结果金球没形成理想的单晶结构。
那时候我就想，可能就像烤面包，温度高一点低一点烤出来的面包样子口感都不一样。
于是我就去搞了个更精准的加热设备来控制温度。
在搅拌这个环节我也栽了跟头。
我一开始只是简单地搅拌，搅拌速度没控制好。
速度快了呢，感觉金属离子都没法好好反应，速度慢了，就会导致局部浓度过高，做出的金球也是大小不一。
后来我把搅拌当成一个精确的舞蹈，要控制好速度和节奏，还通过不断实验找出来了对于这种亚微米级或者微米级金球合适的搅拌速度区间。
对于让金球单分散这个事，我还试过在反应过程中加入一些保护剂。
就像给每个小金球都穿上了一件防护服，让它们互不干扰，这样就能较好地达到单分散的效果了。
不过保护剂的浓度也不好确定，我又经过了好些次尝试才感觉大概摸索出来一点规律。
我不敢说我现在的方法就特别完美了。
但是经过这么多折腾，我确实有了一套能做出亚微米级或微米级单分散单晶导电金球的方法。
希望我的这些摸索经历能给要做这个的朋友一点启发。
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无单位量单位应变概念
• 机械零件和构件等物体内任一点（单 元体）因外力作用引起的形状和尺寸的相 对改变。与点的正应力和切应力(见应力) 相对应，应变分为线应变和角应变。零件 变形后，单元体体积的改变与原单元体体 积之比，称为体积应变。线应变、角应变 和体积应变都是无量纲的量。
整理ppt
• 当单元体各个面上的切应力都 等于零，而只有正应力作用时，称 该单元体为主单元体，它的各个面 称为主平面，各主平面交线的方向 称为主方向。沿主方向的线应变称 为主应变。当外力卸除后，物体内 部产生的应变能够全部恢复到原来 状态的，称为弹性应变；如只能部 分地恢复到原来状态，其残留下来 的那一部分称为塑性应变。
单晶材料的制备
周大利
材料科学与工程学院
整理ppt
1
目录
• 前言
• 固相一固相平衡的晶体生长
• 液相一固相平衡的晶体生长
整理ppt
2
前言
单晶体：
所谓单晶(monocrystal, monocrystalline,
single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维
空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的
整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶
体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶
格是连续的，具有重要的工业应用。由于熵效应
导致了固体微观结构的不理想，例如杂质，不均
匀应变和晶体缺陷，有一定大小的理想单晶在自
然界中是极为罕见的，而且也很难在实验室中生
产。另一方面，在自然界中，不理想的单晶可以
非常巨大，例如已知一些矿物，如绿宝石，石膏，
长石形成的晶体可达数整米理pp。t
3
整理ppt
单晶的电子衍射谱
• 单晶电子衍射得 到的衍射花样是 一系列按一定几 何图形分布的衍 射斑点，称为单 晶电子衍射谱。MoOΒιβλιοθήκη 的晶体形貌和衍射花样整理ppt
多晶的电子衍射谱
• 多晶试样是许多取向不同的细小晶粒组成的 。在入射电子束照射下，对每一颗小晶体来 说，当面间距为d的(hkl)晶面簇组符合衍射 条件时才产生衍射束，并在荧光屏或照相底 板上得到相应的衍射斑点。
表现出电、磁、光、热等方面的优异 性能，广泛用于现代整理工ppt 业的诸多领域。
前言
单晶体：
• 制备方法： • 固相一固相平衡的晶体生长
• 液相一固相平衡的晶体生长
• 气相一固相平衡的晶体生长
整理ppt
9
固相一固相平衡的晶体生长
固一固生长（结晶生长法）：
• 优点 • 较低温度下生长 • 晶体的形状是预先固定，容易取向
• 缺点
• 难以控制成核以形成大晶粒
整理ppt
10
固相一固相平衡的晶体生长
• 形变再结晶理论
• 应变退火及工艺设备
• 利用烧结体生长晶体
整理ppt
11
退火（annealing）
• 退火是一种金属热处理工艺，指 的是将金属缓慢加热到一定温度，保 持足够时间，然后以适宜速度冷却。 目的是降低硬度，改善切削加工性； 消除残余应力，稳定尺寸，减少变形 与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织， 消除组织缺陷。
整理ppt
• 一次再结晶 • 一次再结晶后出现织构，
晶粒取向差小，不利于晶界迁 移；金属中含有较多杂质，特 别是以第二相质点弥散于组织 内，使晶界活动性显著下降；
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• 二次再结晶
• 再结晶完成后，正常的晶粒应是均匀 的、连续的。但在某些情况下，晶粒的长 大只是少数晶粒突发性地、迅速地粗化， 使晶粒之间的尺寸差别越来越大。这种不 正常的晶粒长大称为晶粒的反常长大。这 种晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均 匀细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶 ，所以称为二次再结晶。
整理ppt
应力概念
• 物体由于外因(受力、湿度、温度场变 化等)而变形时，在物体内各部分之间产生 相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用 ，并力图使物体从变形后的位置回复到变 形前的位置。在所考察的截面某一点单位 面积上的内力称为应力。
整理ppt
• 同截面垂直的称为正应力或法向应 力，同截面相切的称为剪应力或切 应力。应力会随着外力的增加而增 长，对于某一种材料，应力的增长 是有限度的，超过这一限度，材料 就要破坏。对某种材料来说，应力 可能达到的这个限度称为该种材料 的极限应力。
在退火过程中提整高理p温pt 度只是为了提高速23度
整理ppt
•
在许多取向不同小晶粒的｛hkl｝晶面簇的晶面组
均符合衍射条件时，则形成以入射束为轴和2θ为半角
的衍射束构成的圆锥面，它与荧光屏或照相底板的交线
，就是半径为R=Lλ/d的圆环，因此，多晶衍射谱的环
形花样实际上是许多取向不同的小单晶的衍射谱的叠加
。d值不同的｛hkl｝晶面簇，将产生不同的圆环，从而
形成由不同半径同心圆环构成的多晶电子衍射谱。下图
为金的多晶衍射谱。
整理ppt
性质 均 匀 性： 晶体内部各个部分的宏观性质是相 同的。 各向异性： 晶体中不同的方向上具有不同的物 理性质。 固定熔点： 晶体具有周期性结构，熔化时，各 部分需要同样的温度。 规则外形： 理想环境中生长的晶体应为凸多边 形。 对 称 性： 晶体的理想外形和晶体内部结构都 具有特定的对称性。
整理ppt
重（再）结晶退火(完全退火)
• 应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重 结晶)发生的合金。其退火温度为各该合 金的相变温度区间以上或退火以内的某 一温度。加热和冷却都是缓慢的。合金 于加热和冷却过程中各发生一次相变重 结晶，故称为重结晶退火，常被简称为 退火。
整理ppt
• 再结晶：当退火温度足够高、时间 足够长时，在变形金属或合金的显 微组织中，产生无应变的新晶粒 ──再结晶核心。新晶粒不断长大 ，直至原来的变形组织完全消失,金 属或合金的性能也发生显著变化,这 一过程称为再结晶，通常也叫一次 再结晶。
整理ppt
形变再结晶理论
• 再结晶驱动力
用应变退火方法生长单晶，通常是通过塑性变形 ，然后在适当的条件下加热等温退火，温度变化不能 剧烈，结果使晶粒尺寸增大。
整理ppt
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形变再结晶理论
• 再结晶驱动力
结晶通常是放热过程
整理ppt
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形变再结晶理论
• 再结晶驱动力
ΔG1-2≈W-q＞0
结晶产生应变不是一个自发过程，反过来 ，通过应变产生结晶（到无应变）是一个自发 过程，即退火是自发过程；