晶体材料制备原理与技术
【2019年整理】单晶制备方法
区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体内已结晶的 固体中的溶解度是不一样的。在结晶温度下,若一杂质在某材料熔体中的浓度为 cL,结晶出来的固体中的浓度为cs，则称K=cL/cs为该杂质在此材料中的分凝系 数。K的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。K＜1时，则开始结晶的 头部样品纯度高，杂质被集中到尾部;K＞1时,则开始结晶的头部样品集中了杂质 而尾部杂质量少。
图：直拉法工艺流程
1、将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中。 掺杂剂的种类应视所需生长的硅单晶电阻率而定。 2、熔化 当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围 内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度（1420℃），使多晶 硅和掺杂物熔化。 3、引晶 当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中（籽晶 在硅熔体中也会被熔化），然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于 轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔体的 固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶。 4、缩径 当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面 张力作用，会使籽晶晶格产生大量位错，这些位错可利用缩径工艺使之消失。即
分布的晶锭。区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。 水平区熔法 将原料放入一长舟之中，其应采用不沾污熔体的材料制成，如石 英、氧化镁、氧化铝、氧化铍、石墨等。舟的头部放籽晶。加热可以使用电阻炉， 也可使用高频炉。用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到 纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且 不易制得完整性高的大直径单晶。 垂直浮带区熔法 用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状 多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张 力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动（图 3）。这种方法不用坩埚， 能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶和熔点极高的材料（如熔点为 3400℃ 的钨），也可采用此法进行区熔。大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型” 感应线圈实现的。为了达到单晶的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为 2～3 毫米、长约 10～20 毫米的细颈单晶，以消除位错。此外,区熔硅的生长速 度超过约 5～6 毫米/分时，还可以阻止所谓漩涡缺陷的生成(图 4)。 多晶硅区熔制硅单晶时，对多晶硅质量的要求比直拉法高： （1） 直径要均匀，上下直径一致 （2） 表面结晶细腻、光滑 （3） 内部结构无裂纹 （4） 纯度要高 Note2：区熔前要对多晶硅材料进行以下处理： ( 1 ) 滚磨 （2） 造型 （3） 去油、腐蚀、纯水浸泡、干燥
化工结晶过程原理及应用
化工结晶过程原理及应用化工结晶是指物质由溶液或熔融状态转变为晶体状态的过程。
结晶过程在化工生产中具有广泛的应用，可以用于分离纯化物质、提纯产品、制备晶体材料等。
本文将从结晶原理、结晶过程和结晶应用三个方面来介绍化工结晶的相关知识。
一、结晶原理。
结晶是物质由无序状态向有序状态转变的过程，其原理主要包括溶解度、过饱和度和结晶核形成三个方面。
1. 溶解度。
溶解度是指在一定温度下，单位溶剂中最多能溶解的溶质的量。
当溶质的实际溶解度小于其饱和溶解度时，溶液处于不稳定状态，有结晶的倾向。
因此，通过控制温度、压力和溶剂浓度等因素，可以促使溶质从溶液中结晶出来。
2. 过饱和度。
过饱和度是指溶液中溶质的实际浓度超过了饱和浓度的程度。
当溶液处于过饱和状态时，溶质会以晶体的形式析出。
过饱和度是结晶过程中重要的物理参数，对结晶速率和晶体形态有重要影响。
3. 结晶核形成。
结晶核是晶体生长的起始点，是溶质分子在溶液中聚集形成的微小团簇。
结晶核的形成是结晶过程中的关键步骤，其数量和大小对晶体的形态和纯度有重要影响。
二、结晶过程。
结晶过程主要包括溶解、过饱和、核形成和晶体生长四个阶段。
1. 溶解。
在结晶过程开始之前，溶质先要从固体状态或其他溶剂中溶解到溶剂中形成溶液。
溶解是结晶过程中的起始阶段，也是影响结晶质量的重要环节。
2. 过饱和。
当溶液中的溶质浓度超过了饱和浓度时，溶液处于过饱和状态。
过饱和度越大，结晶核的形成速率越快，晶体生长速度也越快。
3. 核形成。
过饱和状态下，溶质分子聚集形成结晶核，是结晶过程中的关键步骤。
结晶核的形成需要克服表面张力和核形成能的影响，对结晶质量和产率有重要影响。
4. 晶体生长。
结晶核形成后，晶体开始在溶液中生长。
晶体生长的速率和方向受溶液中溶质浓度、温度、搅拌速度等因素的影响。
三、结晶应用。
结晶在化工生产中有着广泛的应用，包括分离纯化、提纯产品、制备晶体材料等方面。
1. 分离纯化。
结晶可以用于将混合物中的不同成分分离，提高产品的纯度。
化学晶体知识点梳理总结
化学晶体知识点梳理总结一、晶体概述晶体是由一定规则排列的离散的微观结构单元组成的固体材料，它们在三维空间内展现出一种规则的周期性结构。
晶体是固体材料中最有序的形式，其结构是由原子、分子或离子组成的。
晶体结构的研究对于理解物质的性质和特性具有重要意义，因此对晶体结构的研究一直是化学和材料科学中的一个重要方向。
二、晶体的结构晶体的结构是由晶格和晶体的结构单元组成的。
晶格是晶体中微观结构单元的排列方式，它具有一定的平移对称性。
结构单元是晶体的最小重复单元，可以是原子、分子或者离子。
1. 晶格晶格是晶体结构的基本特征之一，它是一种几何形状的最小占据空间，可以用点、直线、面或体积等方式来描述。
晶格的类型包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三角晶系。
晶器又分为布拉维晶格和晶胞。
布拉维晶格是由空间中任意一点（点阵）组成的无限的那种观念上的晶格，它所包含的晶胞是实际的。
2. 结构单元晶体的结构单元是晶体结构的最小重复单位，也是晶体的最小占据空间。
结构单元可以是原子、离子或分子等，它们按照一定的规则排列在晶格上。
晶体的性质和特性取决于晶体的结构单元以及它们之间的排列方式。
三、晶体的生长晶体是由无定形物质通过结晶过程形成的。
在结晶过程中，无定形物质会通过各种物理化学过程逐渐排列成有序的结构。
晶体生长的过程涉及溶液中的物质迁移、核心的形成和生长以及晶体的定向生长等过程。
晶体生长的过程对晶体的质量和性能具有重要的影响，因此晶体生长的研究对于晶体材料的制备和应用具有重要意义。
晶体生长的过程中涉及的物理化学原理包括溶解度、过饱和度、核形成、晶体的成核过程、晶体的生长方式、晶体生长的动力学过程等。
四、晶体的性质晶体的结构决定了它的性质。
晶体的性质包括晶体的形貌、晶体的物理性质、晶体的化学性质和晶体的热性质等。
1. 晶体的形貌晶体的形貌是晶体表面的形态和外形特征。
晶体的形貌对于晶体的识别和分类具有重要意义。
晶体的形貌受到晶体的结构和生长条件的影响，不同的结构和生长条件会导致不同的晶体形貌。
光子晶体的制备和应用
光子晶体的制备和应用光子晶体是一种特殊的晶体结构，它的介电常数在空间中呈周期性的分布，具有优异的光学性质。
由于其具有光学带隙结构，使得光子晶体在光学器件和传感器上具有广泛的应用前景。
本文将介绍光子晶体的制备方法和一些应用领域。
一、光子晶体的制备光子晶体的制备方法有多种，其中最常见的制备方法包括自组装、光刻、离子束刻蚀、电子束曝光等。
下面介绍其中几种制备方法。
（一）自组装法自组装法是目前最常用的制备光子晶体的方法。
它是将一种具有表面活性基团的分子，在水溶液中形成自组装薄膜，然后在薄膜上沉积金属，经过清洗和去除有机分子，即得到具有光子晶体结构的金属膜。
自组装法制备的光子晶体具有周期结构、厚度均匀、晶体质量好等特点。
自组装法的缺点是结构周期可调范围小，几何形状单一。
（二）光刻法光刻法是一种将紫外线或电子束照射在光敏性材料上，然后通过化学溶解等方式去除未经照射的区域，形成微米、纳米级别的结构的方法。
光刻法可以制备出更加复杂的结构，但成本相对较高。
同时，光刻法需要高质量的光刻模板，这也增加了制备难度。
（三）离子束刻蚀法离子束刻蚀法是利用离子束轰击材料表面的方式进行微细结构加工，一般用于制备微纳米级别的结构。
离子束刻蚀法具有加工精度高、控制性好、适用于多种材料等特点。
但相比于其他制备方法，它的制备速度较慢。
二、光子晶体的应用光子晶体具有优异的光学性质，在光学器件和传感器领域有着广泛的应用。
（一）光学器件光子晶体可以用于制备各种光学器件，如纳米结构光学器件、激光器等。
其中，纳米结构光学器件是目前应用最广泛的一种。
它可以用于制备各种反射镜、滤波器、衍射光栅等。
与传统的光学器件相比，纳米结构光学器件具有更高的分辨率和更小的体积。
（二）传感器光子晶体还可以用于制备各种传感器。
例如，通过在光子晶体膜上吸附气体分子，可以监测气体浓度。
此外，光子晶体还可以制备基于全反射原理的生物传感器，用于检测生物分子或细胞。
（三）其它应用光子晶体还有许多其它应用。
激光选区晶体生长的原理
激光选区晶体生长的原理
激光选区晶体生长是一种先进的晶体生长技术，它利用激光束
对金属或合金进行局部加热，以实现晶体的有序生长。
其原理涉及
到多个方面。
首先，激光选区晶体生长利用激光的高能量密度和聚焦性质，
可以在材料表面或其内部形成局部加热的热源。
这种局部加热可以
精确控制晶体生长的位置和形状，从而实现对晶体结构的精细控制。
其次，激光选区晶体生长还涉及到材料的熔化和凝固过程。
激
光束的高能量密度可以使材料局部瞬间达到熔化温度，然后通过控
制激光束的移动和功率，可以实现局部凝固，从而形成晶体结构。
这种局部熔化和凝固的过程可以避免整个材料的大规模熔化，从而
减少了晶体生长的能耗和材料损耗。
此外，激光选区晶体生长还可以实现对晶体组织和取向的精细
控制。
通过控制激光束的参数，如功率、扫描速度和焦距等，可以
实现对晶体结构的微观调控，从而获得特定取向和组织的晶体。
总的来说，激光选区晶体生长的原理是利用激光的局部加热作
用和精细控制能力，实现对晶体生长过程的精确控制，从而获得具
有特定结构和性能的晶体材料。
这种技术在材料科学和工程领域具
有广泛的应用前景，可以用于制备高性能的晶体材料，如高温合金、光学材料和半导体材料等。
退火细化晶粒的原理
退火细化晶粒的原理
退火细化晶粒是一种常用的晶体制备技术，原理是通过热处理将晶界
的结构有序化，使晶粒尺寸大幅缩小，从而改善材料的结构和性能，
提高其应用价值。
此技术的原理基于热力学和动力学原理，即晶体的有序化和晶粒尺寸
的缩小是热力学能量降低和排斥能量增大的结果，同时也受到原位杂质、物理和化学界面反应等因素的影响。
退火细化晶粒的具体实现过程是材料在高温下经历一系列渐进的热处理，通过控制时间、温度和压力等参数的变化，不断调节晶界自由能，促进晶界迁移和重组，从而使晶粒尺寸逐渐缩小，最终形成均匀、细
小的晶体结构。
此技术的优点在于不需要添加昂贵或有害的材料，不会破坏结构或改
变材料成分，且操作简单、效果显著，广泛应用于制备金属、陶瓷、
半导体、高分子和生物材料等领域。
例如，可用于制备高强度、高韧
性的金属材料和高温陶瓷材料，以及对高分子材料的物理和化学性质
进行调控等。
总的来说，退火细化晶粒的原理是基于热力学和动力学原理，通过渐
进的热处理控制晶界自由能、促进晶界迁移和重组，从而形成均匀、细小的晶体结构，其优点在于操作简单、效果显著，可用于制备各种材料的高性能晶体结构，受到广泛关注和应用。
lec砷化镓单晶生长技术
lec砷化镓单晶生长技术
LEC砷化镓单晶生长技术是一项重要的半导体材料制备技术，具有广泛的应用前景。
该技术可以制备高质量、高晶格匹配性的砷化镓单晶材料，用于制造高性能的光电器件和微电子器件。
本文将从生长原理、生长方法和应用领域三个方面，介绍LEC砷化镓单晶生长技术的相关内容。
一、生长原理
LEC砷化镓单晶生长技术是利用液相外延的原理，通过在熔融状态下控制溶液中溶质浓度和温度梯度，使砷化镓单晶材料从溶液中生长出来。
在生长过程中，通过控制砷化镓溶液的温度和成分，可以控制生长出的单晶材料的性质和质量。
二、生长方法
LEC砷化镓单晶生长技术主要有静态法和动态法两种方法。
静态法是将砷化镓溶液放置在石英坩埚中，通过加热使溶液达到熔点后，将衬底缓慢地浸入溶液中，使砷化镓单晶逐渐生长。
动态法是将砷化镓溶液注入到石英坩埚中，通过旋转坩埚或搅拌溶液，使溶液中的溶质均匀分布，然后将衬底缓慢地浸入溶液中，使砷化镓单晶生长。
三、应用领域
LEC砷化镓单晶材料具有优异的电学和光学性能，广泛应用于光电器件和微电子器件的制造。
在光电器件方面，砷化镓单晶材料可以
制作高效的太阳能电池、高亮度LED和激光器等。
在微电子器件方面，砷化镓单晶材料可以用于制造高速、高功率的场效应晶体管和集成电路等。
总结：
通过静态法和动态法两种生长方法，LEC砷化镓单晶技术可以制备出高质量、高晶格匹配性的砷化镓单晶材料。
这种材料在光电器件和微电子器件领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，LEC砷化镓单晶生长技术将进一步推动光电子和微电子领域的发展，并为人们的生活带来更多便利和创新。
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
感谢观看
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
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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。
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中国海洋大学本科生课程大纲
课程名称 晶体材料制备原理与技术(Crystal Growth and Technology) 课程代码 072504201295
课程属性 工作技能 课时/学分 32/2
课程性质 选修 实践学时 0
责任教师 吴平伟 课外学时 0
课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修
一、 课程介绍
1.课程描述：
晶体材料制备原理与技术是综合应用物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试
与表征等先修课程所学知识的应用型专业课程，主要讲授晶体材料制备过程的基本原
理和典型的晶体材料制备技术，为学生从事晶体材料制备工作提供理论基础和技术基
础。
2.设计思路：
晶体材料是高新技术不可或缺的重要材料，晶体材料制备是材料科学与工程专业相
关的重要生产领域。作为一门以拓展学生知识面为目的的选修课程，本课程分为三大
部分：首先介绍典型的晶体材料制备方法和技术，通过课下查阅资料和课堂讨论加深
学生对常见方法和技术的理解。此部分教师讲解和学生课堂讨论并重。然后介绍晶体
材料制备过程中的一般原理，此部分主要由教师进行课堂讲授。最后，由学生自主查
阅晶体材料制备最新文献，了解晶体材料制备技术最新进展，通过课下研读、课上汇
报、讨论、教师点评等教学活动，加深学生对本课程中所学知识的理解及相关知识的
综合运用。
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3. 课程与其他课程的关系：
晶体材料制备原理与技术是综合应用物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试
与表征等先修课程所学知识的应用型专业课程，是材料制备与合成工艺课程相关内容
的细化和深入。
二、课程目标
本课程的目标是拓宽材料科学与工程专业学生的知识面，掌握晶体材料制备一般原
理，了解晶体材料制备常见技术，加深对物理、化学、晶体化学以及材料表征等先修
课程知识的理解，加强文献检索能力，学会分析晶体材料制备中遇到的问题，提高解
决生产问题的能力，为毕业后从事晶体材料制备等生产和研究工作打下基础。
三、学习要求
晶体材料制备原理与技术是一门综合了物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测
试与表征等多学科知识的综合性课程。为达到良好的学习效果，要求学生：及时复习
先修课程相关内容，按时上课,上课认真听讲，积极查阅资料，积极参与课堂讨论。本
课程将包含较多的资料查阅、汇报、讨论等课堂活动。
四、教学进度
序号 专题 或主题 计划课时 主要内容概述 实验实践 内容
或课外练习等
01 绪论 2 晶体材料制备一般介绍，包括生长历史，重要的工业晶
体等。
02 晶体材料制备方法 6
常见晶体材料制备方法，包
括气相生长，溶液生长，水
热生长，高温熔盐生长等。
需学生提前查阅相关资料。
03 晶体材料制备原理 12 晶体-环境相平衡理论，平衡形状理论，成核理论，生长
过程理论
04 具体晶体制备过程讨论 12 由学生前期查阅文献
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五、参考教材与主要参考书
1，Markov, Crystal Growth for Beginners, 2004
2，张克从，张乐潓，晶体生长科学与技术(第二版)，1997
六
、成绩评定
（一）考核方式 C ：A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他
（二）成绩综合评分体系：该课程根据论文撰写和论文讲解的质量和表现进行评
分。
论文要求及评分标准：
评价项目 评价标准 满分
翻译质量 文字翻译准确、流畅 30
译文修改 对老师指出及未指出的问题修改完全、准确 20
报告讲解 对文献内容理解准确，概念清楚，思路清晰；表达准确；报告时间符合要求 30
答辩表现 思维敏捷，语言流畅，回答问题准确，对相关概念理解准确；仪态端庄，精神风貌好 20
七、学术诚信
学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假
行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学
校有关规定取消本课程的学习成绩。
八、大纲审核
教学院长： 院学术委员会签章：