材料常用制备方法
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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