第四章 熔体中的晶体生长技术(提拉法).

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• e 生长速率的控制 • 提拉速度不能超过临界值，该临界值决定于材 料的性质和生长参数。例如：晶体热导率Ks较 高的材料比Ks较低的材料（氧化物或者是有机 物）可有较大的生长率 。 • 生长参数：界面翻转、晶体内所允许的最大热 应力 • fp宏观生长率fo大于晶体的提拉速率fo≈(R2/R2r2)fp R和r分别为甘埚和晶体的半径。
在这三类稀土石榴石中，稀土铁石榴石(YIG) 不透明，难以用作装饰品； 稀土铝石榴石(YAG)存在折射率不够高，不 易掺质． 稀土镓石榴石(GGG)由于其本身的结构特点， 不但能进行多种形式的掺质，而且通过辐照还可 以形成稳定的色心，使其单晶体呈现绚丽多彩的 漂亮颤色，最适宜作为装饰宝石材料。常用的掺Fra Baidu bibliotek质元素为：Cr,Co,Ni等过渡族元素氧化物和稀土 Nd,Er的氧化物。
纯GGG和掺杂Nd3＋
4提拉法生长晶体实例 －蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石 单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作 红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、 仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。 提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导 体发光及集成电路的大量需要。
& 4.3提拉法生长工艺
1 提拉法生长设备介绍 2 提拉法生长工艺介绍 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石 4 提拉法生长晶体实例 －蓝宝石提拉晶体界面翻转的控制 5 提拉法生长晶体实例 －单晶硅的缩颈工艺 6 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制 7 提拉法生长宝石晶体的鉴别 8 几种宝石鉴别
提拉法生长仿祖母 绿合成品
石榴石主要包括的六种矿物： （1）镁铝榴石（Pyrope） ，也叫红榴石 （2）铁铝榴石（Almandine） ，也叫贵榴石 （3）锰铝榴石（Spessartite） （4）钙铝榴石（Grossular）， 水钙铝榴石 （5）钙铁榴石（Andradite），含Cr叫翠榴石 （6）钙铬榴石（Uvarovite） ，也叫绿榴石
极限生长速率f max ：
对于纯材料： K T f max s ( ) s ( K s为晶体的导热率) l z
对于掺质的材料 f max f D[ke (1 ke ) exp( c)] T D ( )l mcl ( B ) ((1 ke ) z
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• 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG）
天然石榴石
YIG
YIG
人工合成GGG
天然形成的石榴石主要是金属的硅酸盐 例如：Ca3Fe2[SiO4] ，Mn3Al2[SiO4]3． 人工研制的石榴石，如钇铁石榴石(YIG)、 钇铝石榴石(YAG)和钆镓石榴石(GGG)等. 以上三大类人工石榴石，即由稀士(Yt,Nd） 和铁、铝、镓（Ga）分别完全取代天然石榴石 中的金属元素和硅，所形成的稀土铁石榴石、 稀土铝石榴石和稀土镓石榴石．
石榴石生长的主要方法在于原料的区别和 是否考虑掺杂问题，一般生长过程包括以 下几个方面： a 原料准备 b 保护气氛 c 生长条件 d 掺杂生长 e 晶体的透过率与颜色
• a 原料准备:Ga2O3（氧化镓）Gd2O3（氧化钆） 经过焙烧，脱水，按照比例配料，混合后经 压机压紧后在1250℃进行固相反应，充分反 应后的原料可供晶体生长使用。 • b保护气氛：GGG的熔点为1750摄氏度，一般 采用铱坩埚，但铱坩埚存在氧化的问题。因 此加入高纯氮气和2%的氩气。
提拉法生长无色蓝宝石
1 提拉法生长设备介绍
加热 系统 1.保温
YAG生长设备
传动系统
2.后热器
气氛控制 系统
3.坩锅
后热器的 主要作用 是调节晶 体和熔体 之间的温 度梯度。
• 2 提拉法生长工艺 a生长过程。
b直径自动控制。（ADC技术） c材料挥发的控制。 d 温场的选择与控制。 e 生长速率的控制。
• 原料： 白色合成蓝宝石碎块＋TiO2+Fe2O3， TiO2、Fe2O3配比视颜色而定。 • 工艺参数：2050℃以上，转速：10－ 15r/min ,提拉：1－10mm/h
放肩过程中在dt时间内凝固的晶体质量为：
dm ( r 2 dz 2 rdrz ) v dz / dt 式中： r 2 dz为高为dz的柱体的体积 2 rdrz 为高为z的锥环柱的体积 dm / dt r 2v 2 r (d 2 r / dt 2 )
• 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG）
a生长过程
b 直径自动控制（ADC）
弯月面光反射法：
晶体等径生长时对应的弯月面角为： L 当l L时，直径扩大；反之，缩小。
L的大小取决与材料的性质，不为0的 L意味着 晶体与熔体之间是非完全浸润的。
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• c材料挥发的控制 • 高温下材料的挥发，改变了熔体的化学 配比，造成熔体某成分的过剩，组分过 冷的改变等一系列影响。因此，人们发 展了液相覆盖技术和高压单晶炉。
• c生长条件：提拉速度一般在5-10mm/h范 围内。若掺质或生长大直径的晶体，要 放慢生长速度。生长最合适的方向为＜ 111＞ • d 掺杂生长：掺质生长存在一个分凝问题。 分凝系数有的大于1有的小于1，因此掺 质的浓度也不同。 • e 晶体的透过率与颜色：
纯GGG和掺杂Cr3＋
纯GGG和掺杂Co3＋
• 覆盖物质应具有以 下性质：密度小于 熔体的密度，透明， 对熔体、坩埚和气 氛是化学惰性的， 能够浸润晶体、熔 体和坩埚，并具有 较大的粘度。目前， 最好的覆盖物质是 熔融的B2O3
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• d 温场的选择与控制 为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为防止 开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯度。因 此，所谓合适的温场没有一个严格的判据。 一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度（特别是 界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采用小的温 度梯度。因此，合适的温场的选择和控制，只能根据 材料特性作出初步判断，通过实验加以解决。 加大温度梯度方法：缩小熔体和熔体上方空间的距离 （轴向距离） 减小温度梯度的方法：采用适当的后热器