材料制备技术备复习总结

1、高温合成：在大容积里长时间保持数千度的高温，或通过脉冲技术产生极短时间的高温。

高温获得：最常用高温电阻炉。

2、低温：-150℃以下的温度。

低温的获得：常用气体绝热膨胀和相变制冷。

低温分离方法：①低温下的分级冷凝；②低温下的分级减压蒸发；③低温吸附分离；④低温分馏；⑤低温化学分离。

冷冻干燥法：属于低温合成，是合成金属氧化物、复合氧化物等精细陶瓷粉末的有效方法。

通常，把原料--可溶性盐，调制成所需浓度的水溶液，该水溶液经喷雾冷冻成微小液滴，经过加热使冰升华，得松散无水盐，煅烧，得到化合物陶瓷粉体。

3、高压合成：利用外加的高压力，是物质产生多型相转变或不同物质发生化合，从何得到新相、新化合物或新材料。

高压作为极端物理条件，能改变物质原子间距和原子壳层状态，常被用来作为原子间距调制、信息探针和替他特殊的应用手段。

4、化学转移反应进行方向：对于吸热反应，源区温度应大于沉积区温度，物质由源区向沉积区转移；放热反应，源区温度应小于沉积区温度，物质由源区向沉积区转移。

第二章1、先驱物法目的：解决高温固相反应法中产物的组成均匀性和反应物的传质扩散。

原理：通过准确的分子设计，合成出具体预期组分、结构和化学性质的先驱物，再在软环境下对先驱物进行处理，进而得到预期的材料。

关键：先驱物的分子设计与制备。

2、溶胶凝胶法定义:一种由金属有机化合物，金属无机化合物或他们的混合物经水解缩聚过程，逐渐胶化并进行相应的后处理，最终获得氧化物或其他化合物。

创新之处：能同时控制粉体的尺寸、形貌和表面结构，可用来制备单分散、无缺陷的粉体。

核心：溶胶凝胶法制备纳米材料是无粉加工路线。

特点：作为前驱体的纳米单元以连续的方式相互连接成很大的网状结构，从而可以不经过粉体阶段，直径形成纳米结构的氧化物骨架。

溶胶凝胶法过程：用所需的各液体化学品为原料，在液相下均匀混合，经水解、缩聚的化学反应，形成稳定的透明溶胶液体系。

溶胶经过陈化，胶粒间逐渐聚合，形成凝胶。

再经低温干燥，脱去溶剂称为具有多孔空间结构的干凝胶或气凝胶。

最后，经烧结、固化，制备出致密的氧化物材料。

3、低温固相反应：反应温度低于100℃的固相反应。

低温固相反应的规律：①有潜伏期；②无化学平衡；③拓扑反应原理；④分布反应；⑤嵌入反应；潜伏期产生原因：反应起始于接触部分，生成反应产物层后，只能通过扩散方式进行物质运输，固体中扩散很慢。

同时，反应物集中到一定大小才能成核，成核需要温度，高于Tn反应才能进行。

固体反应物间扩散及产物成核过程构成了潜伏期。

潜伏区影响因素：温度。

温度越高，扩散越快、成核越快，潜伏期越短。

4、水热与溶剂热合成概念：在一定温度（100°C~1000°C）和压强（1MPa~100MPa）条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。

目的：研究物质在高温和密闭或高压条件下溶液中的化学行为与规律。

要求：高温高压。

与固相反应的差别：固相反应的机理主要以界面扩散为其特点，水热和溶剂热反应主要以液相反应为其特点。

1、微波：频率在300MHz—3000GHz，即波长在0.1mm—1000mm的电磁波。

微波加热的特点：在被加热物体的不同深度同时产生热。

，加热速度快且均匀。

2、自蔓延高温合成：在高真空或介质气氛中点燃原料引发化学反应，反应热使得临近物料升温而引起新的化学反应，并以燃烧波形式蔓延至整个反应物，燃烧波向前推进时，反应物逐步变成产物。

自蔓延高温合成的优点：①节约能源，利用外部能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波持续下去；②反应迅速，其燃烧蔓延速度最高可达到25cm/s；③反应温度高，反应体系中的大部分杂质可以挥发掉，因此产物的纯度很高；④能制取具有超性能的材料。

第四章1、薄膜：材料的一维线性尺度小于其他二维尺度，往往为纳米至微米量级。

特性：尺寸效应：①熔点降低；②表面散射；③表面能级；④干涉效应；⑤量子尺寸效应等。

2、薄膜生长影响因素：较高的衬底温度，较低的沉积速率，单晶基片。

3、外延:是指在单晶衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。

同质外延:生长外延层和衬底是同一种材料，这种工艺就是同质外延。

异质外延:外延生长的薄膜材料和衬底材料不同，或者说生长化学组分、甚至是物理结构和衬底完全不同的外延层，相应的工艺就叫做异质外延。

外延生长的三个条件：吸附原子高迁移率/基片与薄膜的结晶相容性/基片干净光滑化学性质稳定。

4、形成非晶薄膜条件：较低的沉底温度、较高的沉积速率。

5、降低吸附原子表面迁移率的方法：1、降低基片温度；2、引进反应气体；3、掺杂。

6、附着能：薄膜、基片是不同物质，二者之间的相互作用能就是附着能。

附着力：附着能对薄膜基低间距微分，微分最大值就是附着力7、生长模式：岛状生长模式、层状生长模式、层岛复合生长模式。

岛状生长：沉积物质间互相键合，因为沉积物质与沉底间浸润性较差。

层状生长：沉积物质与沉底键合，因为浸润性较好。

层岛复合生长：开始一两个原子层厚度以层状生长，之后转为岛状生长。

8、生长阶段：岛状阶段、聚结阶段、沟渠阶段和连续阶段。

9、形核理论：分为自发形核和非自发形核。

自发形核是在相变自由能推动下进行的。

10、晶带模型：（抑制型生长）晶带1型：沉淀组织呈纤维状形态，晶粒内缺陷密度高，晶粒边界处组织疏松，细纤维状组织由孔洞所包围，力学性能差。

（抑制型生长）晶带T型：过渡型组织。

沉淀过程中原子已开始具有一定的表面扩散能力，虽然保持了细纤维状的特征，但晶粒边界明显地较为致密，机械强度提高孔洞消失。

（热激活型生长）晶带2型：表面扩散能力很高，沉积阴影效应的影响下降。

组织形态为各个晶粒分别外延而形成均匀的柱状晶组织，晶粒内部缺陷密度低，晶粒边界致密性好，力学性能好。

（热激活型生长）晶带3型：体扩散发挥重要作用，晶粒长大超过薄膜厚度，晶粒内缺陷密度很低。

11、薄膜的物理制备方法：气相沉积法为主。

物理气相沉积三阶段：从源物质中发射粒子，粒子输运到基板，粒子在基板上凝结、成核、长大、成膜。

物理气相沉积基本方法：真空蒸发和溅射。

真空蒸发法包括电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光加热蒸发、电弧加热蒸发、射频加热蒸发。

12、分子束外延（MBE）：在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度，在加热的基片上进行外延生长的一种薄膜制备技术。

13、溅射沉积法：物质受适当的高能离子轰击，表面原子通过碰撞获得能量而逃逸。

溅射方法：直流溅射/射频溅射/磁控溅射/反应溅射。

溅射沉积法的优点：附着力好，重复性佳，多元薄膜成分容易控制，可获得大面积均匀薄膜。

14、辉光放电：在真空度为0.1Pa—10Pa的Ar气体中，两电极之间在一定电压下产生的气体放电现象。

15、制备薄膜的化学方法：化学气相沉积、溶液镀膜法。

化学气相沉积：利用气态先驱反应物，通过化学反应生成薄膜。

优点：精确控制薄膜组分及掺杂水平/在复杂基片成膜/不需真空/结晶完整/可制备其他方法无法得到的材料。

16、薄膜膜厚测量方法：光学法（光吸收法/光干涉法）、机械法（表面粗糙度仪法/称重法/石英晶体振荡法）、电学法（电阻法/电容法）。

第六章1、人工晶体分类：（1）按化学组成：无机晶体和有机晶体。

（2）按生长方法：水溶性晶体和高温晶体（3）按形貌：块状，薄膜，纤维晶体（4）按功能分：半导体晶体，激光晶体，非线性晶体，光折变晶体，闪烁晶体，电光，磁学，声光调制晶体，压电晶体，红外探测晶体，光学晶体，双折射晶体。

2、相变驱动力：（1）表达式（2）气相生长：体系蒸汽压的过饱和度（3）溶液生长：生长单元过饱和度（4）熔体生长：过冷度。

3、完整光滑界面生长机制：平台、台阶、台阶拐角及孤立生长单元。

非完整光滑界面生长机制：晶界、螺旋位错。

4、水溶液生长法：原理：将原料溶解在溶剂中，采用适当的措施造成溶液的过饱和，使晶体在其中生长。

关键：控制溶液过饱和度。

维持过饱和度的途径：（1）根据溶液溶解度曲线，升高或降低温度。

（2）用蒸发等办法一曲溶剂，使溶液浓度增高。

降温法，最常用的方法。

基本原理是利用物质较大的正溶解温度系数，在晶体生长过程中逐渐降温，使析出的溶质不断地进行晶体生长。

流动法：能生成比降温法更大的晶体。

5、助熔剂法基本原理：将组成结晶物质的原料咋高温下溶解于低熔点的助熔剂中，使之形成饱和溶液，然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，使熔融液过饱和，从而使结晶物质析出生长。

籽晶生长法：在熔体中加入籽晶的晶体生长方法。

有顶部籽晶法和底部籽晶法。

6、熔体生长法：原理：将待生长物质加热融化，然后在温度梯度下冷却，缓慢移动固液界面，使熔体逐渐凝固成晶体。

溶液生长法只涉及固液界面过程。

与溶液生长和助溶剂方法生长的区别：熔体生长不是传质而是传热。

结晶驱动力是过冷度不是过饱和度。

熔体生长方法：正常凝固法：提拉法、坩埚下降法、晶体泡生法、弧熔法；区熔法：水平区熔法、浮区法、基座法、焰熔法浮区法：多晶试样两端保持垂直，将中间一小段融化成溶融区，加热装置由一端移动至另一端，形成单晶。

7、非晶态固体的结构特征（1）非晶态固体机构完全不具有长程有序，原子排列为长程无序的状态（2）非晶态固体中存在这短程有序（3）从热力学上讲，晶体结构处于平衡状态，而非晶态固体的结构则处于亚稳态，且有向平衡状态转变的趋势。

提拉法原理：将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，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，在不断提拉和旋转过程中生长出圆柱状晶体。

优点：①在生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况，这为控制晶体外形提供了有利条件；②晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；③可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”技术，得到不同取向的单晶体，降低晶体中的位错密度，减少镶嵌结构，提高晶体的完整性。

④能够以较快的速率生长较高质量的晶体。

缺点：①一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染；②当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难；③适用范围有一定的限制。

坩埚下降法原理：使熔体从高温区进入低温区，通过控制熔体的过冷度，获得单晶材料。

特点：让熔体在坩埚中冷却而凝固。

优点：①由于把原料密封在坩埚里，减少了挥发造成的泄露和污染，使晶体的成分容易控制。

②操作容易，可以生长大尺寸的晶体，可生长的晶体品种也很多，且易实现程序化生长。

③由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核，这样可以在一个结晶炉内同时放入若干坩埚，可大大提高成品率和工作效率。

缺点：①不宜生长在冷却时体积增大的晶体;②由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触，往往会在晶体中引入较大的内应力和较多的杂质。

③在晶体生长过程中难以直接观察，生长周期也比较长。