晶体生长
晶体生长原理与技术
晶体生长原理与技术晶体是一种具有高度有序结构的固体材料，其结构和性质受到其生长过程的影响。
晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，包括温度、溶液浓度、溶剂选择、晶种质量等等。
本文将从晶体生长的基本原理和常见的生长技术两个方面进行探讨。
晶体生长的基本原理主要包括熔融法、溶液法和气相法。
熔融法是指将晶体原料加热至熔化状态，然后缓慢冷却，使晶体从熔融状态逐渐结晶出来。
溶液法是指将晶体原料溶解在溶剂中，通过控制溶液的温度、浓度和溶剂的选择，使晶体逐渐从溶液中析出。
气相法是指将晶体原料蒸发成气体，然后在一定的条件下使其在固体基底上生长成晶体。
这些方法各有优劣，可以根据具体的情况选择合适的方法进行晶体生长。
在晶体生长技术方面，常见的方法包括悬浮法、自组装法和气相沉积法。
悬浮法是指将晶体原料悬浮在溶液中，通过控制溶液的温度和浓度，使晶体逐渐生长出来。
自组装法是指利用分子自组装的原理，在固体基底上自发形成晶体结构。
气相沉积法是指将晶体原料蒸发成气体，然后在基底上沉积成晶体。
这些方法在不同的领域有着不同的应用，可以根据具体的需求选择合适的方法进行晶体生长。
晶体生长的过程受到多种因素的影响，其中温度是一个重要的因素。
温度的变化会影响晶体生长的速率和晶体的形貌，过高或过低的温度都会对晶体生长产生不利影响。
此外，溶液的浓度和溶剂的选择也会影响晶体的生长过程，合适的浓度和溶剂可以促进晶体的生长，提高晶体的质量。
晶种的质量也是影响晶体生长的重要因素，优质的晶种可以促进晶体的生长，并且对晶体的形貌和性能有着重要的影响。
总之，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
了解晶体生长的基本原理和常见的生长技术，可以帮助我们更好地控制晶体的生长过程，提高晶体的质量和产量。
希望本文对您有所帮助，谢谢阅读！。
最全的材料晶体生长工艺汇总
最全的材料晶体生长工艺汇总材料晶体生长是一种重要的制备材料的方法，它可以获得具有优良性能的晶体材料，广泛应用于各个领域。
下面是一个最全的材料晶体生长工艺汇总，详细介绍了各种常用的生长方法和工艺步骤。
1.物质熔融法物质熔融法是最常用的晶体生长方法之一、它适用于高熔点物质的晶体生长，通过将材料加热到熔融状态，然后缓慢冷却，使晶体从熔融液中生长出来。
这种方法包括Czochralski法、Bridgman法等，它们的主要过程是将熔融物质加热至适当温度，然后撇去熔融液表面的杂质，然后用适当的速度慢慢降低温度，使晶体在逐渐凝固过程中从熔融液中生长出来。
2.溶液法溶液法是一种常用的低温晶体生长方法。
它适用于低熔点材料的晶体生长，通过将溶解了材料的溶液缓慢蒸发或者用化学反应生成晶体。
溶液法包括坩埚法、溶液蛹法、溶液冷温法等。
其中，坩埚法是将溶解到溶剂中的物质加热至溶解温度，然后慢慢冷却，使晶体从溶液中生长出来。
3.气相法气相法是一种高温高真空条件下进行晶体生长的方法。
它适用于高熔点、不易溶解或化学反应性强的材料的晶体生长。
气相法包括化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）等。
这些方法通过将气体或蒸汽中的原料转化成固态晶体，然后在衬底上生长出晶体。
4.熔盐法熔盐法是一种利用熔盐作为溶剂和晶体生长培养物质的方法。
它适用于高温高熔点材料的生长和掺杂晶体的制备。
熔盐法包括坩埚熔盐法和区域熔盐法等，其中坩埚熔盐法是将晶体原料和熔盐混合，加热至溶解温度，然后通过缓慢冷却使晶体从熔盐中生长出来。
5.拉伸法拉伸法是一种通过拉伸单晶将其变成纤维或片状晶体的方法。
这种方法适用于一些难以获得大尺寸单晶的材料，通过拉伸使晶体在拉应力下断裂，形成纤维或片状晶体。
总结：以上是最全的材料晶体生长工艺汇总，介绍了物质熔融法、溶液法、气相法、熔盐法和拉伸法等常用的生长方法和工艺步骤。
不同方法适用于不同的材料和应用领域，科学家可以根据具体情况选择最适合的生长方法，以获得优质晶体材料。
晶体生长_精品文档
对于玻璃聚合物, ΔT增加, 扩散系 数减小, DL/DLM起主导作用, ΔT增 加、I 增加。当DL到达极大值后减小, 则I减小, 一直到零。
2.均匀形核理论与实验结果的比较
50年代初，Turnbull等人作了实验，发现 Φ ~10μm的金属液滴的ΔT大约为TM（K）的
18%~20%左右。
基本原理: 以凝胶作为扩散和支持介质，使一 些在溶液中进行的化学反应通过凝胶扩散， 缓慢进行。
近似认为凝固时, ΔH、 ΔS与温度无关, 则
ΔGV= ΔH-T ΔS= ΔH-（ΔH/TM）T
= ΔH（1-T/TM）= ΔH[(TM-T)/TM]
= ΔHΔT/TM
ΔH为凝固潜热, 由系统放出, 为负值, 单 位为J/mol。
显然, 过冷度越大, 即凝固的驱动力越大。
单位体积的ΔGV=LΔT/ TM , L为相变潜热(KJ/mol)。
• 图示 •
循环流动育晶装置 1.原料 2.过滤器 3.泵 4.晶体 5.加热电阻丝
※ 蒸发法
• 基本原理: 将溶剂不断蒸发，使溶液保持在 过饱和状态，从而使晶体不断生长。
• 特点: 比较适合于溶解度较大而溶解温度系 数很小或者是具有负温度系数的物质。与 流动法一样也是在恒温条件下进行的。
※ 凝胶法
致密度低的晶体, 液态的密度略高于固体, 如 Si, Ge。
一般认为，在液体中会存在一些大小不等、 随机取向的短程有序原子团。原子团内部排列象 晶体那样有规则，原子团间有一定的自由空间， 随能量起伏，这些原子团时而形成，时而变大， 时而变小以致消失。
由热力学，一定温度下不同大小原子团的 相对数目为: .
第二编 相 变 与 相 图
第五章 晶体生长
第三章 晶体生长
A
B
图3-11 共晶系相图
LE ⇄(C + D)
第二节 相图及其在晶体生长中的应用
• 共晶反应过程
具有共晶成分的合金溶液，温度降到E点 时，开始同时从液体中开始析出成分为C的α 相和成分为D的β相，两相的相对含量可以用 杠杆定律求出
A
B
继续降温，最终形成α相和β相的机械混合物 ，但是晶体的总体成分仍是共晶成分。 形成的两相混合物具有显微组织特征。
①两种组分中金属原子或离子的半径必须接近，其半径差要小于15% ，否则，不同大小的原子或离子产生的晶格畸变将很大，以致影响 固溶度； ②两种组分必须具有相同的晶体结构，否则固体中将出现不同结构 的相，或固溶度仅限于一定范围； ③金属原子必须具有相同的价电子数，否则价电子数之差有可能导 致形成化合物而不形成固溶体； ④金属原子必须具有几乎相同的电负性，如果两种金属具有显著地 电负性差，则将倾向于形成金属间化合物。
L L+ L+
相图分析
相和相区与共晶相似 包晶线PDC：该线成分对应的合金在该 温度下发生包晶反应。该反应是液相L 包着固相, 新相β在L与α的界面 上形核，并向L和两个方向长大。
+
图3-12 包晶系相图
第二节 相图及其在晶体生长中的应用
• 包晶反应过程
第二节 相图及其在晶体生长中的应用
下面以凝固结晶为例说明形核过程： 短程有序（Short range order）：由于液态金属中有序原子集团的尺 寸很小，所以把液态金属结构的特点概括为短程有序（长程无序）， 通常用团簇结构cluster来表征。 晶胚（Embryo）：温度降低至熔点以下时，这些近程有序的原子集 团就成为均匀形核的晶胚，尺寸会增大。晶胚内部原子呈晶态有序 排列，而外层原子与液体中不规则排列的原子相接触构成界面。 晶核（Nucleus）：当具备结晶条件时，大于一定尺寸的晶胚就会成 为晶核。
晶体生长技术
在高温高压下，通过各种碱性或酸性的水溶液使材料溶解而达到过饱和进而析晶的生长晶体方法叫水热生长 法。这个方法主要用来合成水晶，其他晶体如刚玉、方解石、蓝石棉以及很多氧化物单晶都可以用这个方法生成。 水热法生长的关键设备是高压釜，它是由耐高温、高压的钢材制成。它通过自紧式或非自紧式的密封结构使水热 生长保持在200～1000°C的高温及1000～10000大气压的高压下进行。培养晶体所需的原材料放在高压釜内温度 稍高的底部，而籽晶则悬挂在温度稍低的上部。由于高压釜内盛装一定充满度的溶液，更由于溶液上下部分的温 差，下部的饱和溶液通过对流而被带到上部，进而由于温度低而形成过饱和析晶于籽晶上。被析出溶质的溶液又 流向下部高温区而溶解培养料。水热合成就是通过这样的循环往复而生长晶体。
气相外延 材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管 和闭管两种方式，半导体制备中的硅外延和砷化镓外延，多半采用开管外延方式。
液相外延 将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将单晶基片浸泡在这溶液中，再使溶液达到 过饱和，这就导致材料不断地在基片上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。这样的工艺过程称为液 相外延。这方法的优点是操作简单，生长温度较低，速率也较快，但在生长过程中很难控制杂质浓度的梯度等。 半导体材料砷化镓的外延层，磁泡材料石榴石薄膜生长，多半用这种方法。
这个方法是指在高温下把晶体原材料溶解于能在较低温熔融的盐溶剂中，形成均匀的饱和溶液，故又称熔盐 法。通过缓慢降温或其他办法，形成过饱和溶液而析出晶体。它类似于一般的溶液生长晶体。对很多高熔点的氧 化物或具有高蒸发气压的材料，都可以用此方法来生长晶体。这方法的优点是生长时所需的温度较低。此外对一 些具有非同成分熔化（包晶反应）或由高温冷却时出现相变的材料，都可以用这方法长好晶体。BaTiO3晶体及 Y3Fe5O12晶体的生长成功，都是此方法的代表性实例，使用此法要注意溶质与助熔剂之间的相平衡问题。
材料学基础中的晶体生长
材料学基础中的晶体生长晶体是许多材料的重要结构基础，所以晶体生长的研究对于材料学有着至关重要的影响。
晶体生长是指在固体、液体或气体中某种物质形成晶体的过程，晶体的形成可以是自发的，也可以是人为地加速反应。
很多重要的材料，如半导体、金属、陶瓷等，都需要通过晶体生长来进行制备。
因此，晶体生长作为材料学的基础，在学习和研究中占有重要的地位。
1. 晶体的成长方式晶体的成长可以有多种方式，有些晶体的成长方式可能很快，而另一些则需要很长时间才能完成。
(1) 液相成长液相成长是指在溶液中，模板分子和溶液中其它分子结合而形成晶体的成长方式。
溶液中的溶质会在解离后形成离子或分子，这些离子和分子缓慢地进入结晶器，然后在结晶的表面聚集，逐渐形成晶体。
液相成长需要严格控制晶体的生长速度，否则就会导致不同方向的晶面生长速度不均匀，最终形成多种不同纯度和颗粒大小的晶体。
(2) 气相成长气相成长是指在气相中，模板分子在高温和高压条件下结合成为晶体的成长方式。
气相中的溶质在空气压力的作用下表现出反应活性，受到温度、压力、冷却速度等因素的影响，形成不同生长方向和形态的晶体。
(3) 固相成长固相成长是指随着晶体核心的长大，固体中相应的固相物质向着晶体核心聚集并成长。
固相成长是一种在极值条件下的成长方式，每个晶体的生长速度极为缓慢，需要一定的时间才能移动晶体核心。
2. 晶体成长机理晶体成长的机理比较复杂，主要受到以下因素的影响：(1) 溶液中的化学反应晶体的形成需要先有离子或分子发生化学反应形成，形成的离子或分子在晶体核心处结晶，逐渐贯穿细胞成长。
(2) 磁场作用磁场会影响晶体的形态和大小，磁场产生的电场可能会引起离子或分子的聚集并形成晶体。
(3) 温升作用当温度升高时，晶体中各种物质之间的相互作用能够促进晶体的生长。
温度过高时，物质的分解将会对晶体生长造成不利影响。
(4) 核形成条件核是晶体成长的核心，晶体生长的最终速度和晶体形态都与核的形成条件有关。
化学晶体生长
化学晶体生长化学晶体生长是指无机物质或有机物质在固态中形成有序排列的晶体结构的过程。
这是一门涉及化学、物理和材料科学的综合学科，对于理解晶体的性质和应用具有重要意义。
本文将介绍化学晶体生长的基本原理及其应用。
一、晶体的结构与形成晶体是由原子、离子或分子通过空间有序排列而形成的固体。
在晶体中，原子、离子或分子按照规律的方式组成晶胞，晶胞的重复堆积构成晶体的空间结构。
晶体的生长过程包括凝聚核的形成、晶体单位元的逐渐有序排列和晶体尺寸的增长。
晶体生长的速度受到溶液中物质浓度、温度、压力、pH值以及溶液中的杂质等因素的影响。
二、晶体生长的机制1. 溶液晶体生长机制溶液晶体生长是指在溶液中溶质和溶剂的相互作用下形成晶体的过程。
具体而言，溶液中的溶质分子与溶剂分子发生化学吸附或物理吸附，形成活性吸附层，然后通过扩散和复分解等过程在溶液中逐渐有序排列，并最终沉积在晶体表面，进一步增长晶体。
2. 蒸发晶体生长机制蒸发晶体生长是指通过溶剂蒸发，使溶质逐渐聚集并沉积形成晶体的过程。
当溶液中的溶剂逐渐蒸发时，溶质浓度逐渐升高，达到饱和后，溶质开始结晶并形成晶体。
3. 熔融晶体生长机制熔融晶体生长是指在高温下，由于溶质在熔融体中具有较高的溶解度，然后通过熔融体中的扩散、结晶和固态反应来形成晶体的过程。
具体而言，将合适的溶质和溶剂混合，并在高温下熔融，然后通过冷却使其逐渐结晶。
三、化学晶体生长的应用化学晶体生长在生物学、医学、材料科学和电子领域具有广泛的应用。
1. 材料科学中的应用化学晶体生长为制备高质量的单晶提供了重要的方法。
通过调控晶体生长的条件和参数，可以获得优良的晶体，用于制备具有特殊性能的材料，如半导体材料、光学材料和磁性材料等。
2. 生物学和医学中的应用晶体生长可以用于研究生物分子的结构和性质。
通过生长蛋白质、核酸和其他生物大分子的晶体，可以利用X射线衍射等方法解析其分子结构，进一步理解其功能和相互作用。
此外，晶体生长也可用于制备药物的结晶体以及生物医学材料的制备。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体生长是指晶体在适当条件下从溶液或气相中吸收物质并逐渐增大的过程。
晶体生长是固体物理学和化学中的一个重要研究领域，对于材料科学、地质学、生物学等领域都具有重要意义。
晶体生长的原理涉及到热力学、动力学、表面化学等多个方面的知识，在实际应用中也有着广泛的应用价值。
晶体生长的原理可以归纳为以下几个方面：1. 原子或分子的扩散。
晶体生长的第一步是溶液或气相中的原子或分子通过扩散运动到达晶体表面。
这一过程受到温度、浓度梯度、表面形貌等多种因素的影响。
原子或分子在溶液或气相中的扩散速率决定了晶体生长的速度和形貌。
2. 晶体表面的吸附和解吸。
当原子或分子到达晶体表面时，它们会发生吸附和解吸的过程。
吸附是指原子或分子附着在晶体表面，解吸则是指原子或分子从晶体表面脱离。
吸附和解吸的平衡状态决定了晶体表面的活性，进而影响晶体生长的速率和形貌。
3. 晶体生长的动力学过程。
晶体生长的动力学过程包括原子或分子在晶体表面的扩散、吸附、解吸等过程，以及晶体内部的结构调整和排列。
这一过程受到温度、浓度、界面能等因素的影响，对晶体生长的速率和形貌起着决定性作用。
4. 晶体生长的形貌控制。
晶体生长的形貌受到晶体生长条件和晶体本身特性的影响。
在实际应用中，通过调控溶液或气相中的成分、温度、pH值等条件，可以实现对晶体生长形貌的控制，获得特定形状和尺寸的晶体。
总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
在实际应用中，通过深入研究晶体生长的原理，可以实现对晶体生长过程的控制，获得具有特定形貌和性能的晶体材料，为材料科学和其他领域的发展提供重要支持。
同时，对晶体生长原理的深入理解也有助于揭示自然界中晶体的形成和演化规律，对地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。
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晶体生长----提拉法
人工合成晶体的主要途径是从溶液中培养和在高温高压下通过同质多像的转变来制备(如用石墨制备金刚石)等。
具体方法很多，例如水热法，提拉法，焰熔法。
水热法这是一种在高温高压下从过饱和热水溶液中培养晶体的方法。
用这种方法可以合成水晶、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、石榴子石及其它多种硅酸盐和钨酸盐等上百种晶体。
焰熔法这是一种用氢氧火焰熔化粉料并使之结晶的方法。
下面主要介绍下提拉法。
一．提拉法的基本原理：
提拉法是将构成晶体的原料压缩成圆棒，置于四个加热灯的焦点处加热熔化，在原料下面接籽晶，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随着改变加热灯的焦点位置使其降温逐渐凝固而生长出单晶体。
二．生长要点
（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中是关键。
可以通过调节加热灯的功率来改变温度，保持在适合晶体生长的温度。
（2）提拉的速率决定晶体生长速度和质量。
适当的转速，可对熔体产生良好的搅拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分过冷的目的。
一般提拉速率为每小时6-15mm。
在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错，即在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后，再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。
这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，故称为“缩颈”技术。
三．提拉法与其它晶体生长方法相比有以下优点：
（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；
（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得所需取向的晶体；
（3）晶体生长速度较快；
（4）晶体位错密度低，光学均一性高。
通过参观晶体生长实验室，让我学到了很多东西，获益良多。
从原料配比，压缩成原料棒，到加热融化与籽晶连接到一起开始生长，让我看到了晶体生长实验的严谨，与艰辛。
而且整个晶体生长的过程需要很多小时甚至几天的时间，觉得科研工作者在其工作中默默地付出劳动与汗水，值得我们敬佩与学习。
08061116
刘志鹏
北京工业大学。