晶体生长方法
晶体生长方法
晶体生长方法一、提拉法晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
二、热交换法热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。
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。
晶体生长技术及条件控制方法
晶体生长技术及条件控制方法晶体生长是一项重要的领域，应用广泛，如化学制品加工、材料研究、药物制备等。
在晶体生长的过程中，技术和条件的控制是关键，它们直接影响着晶体的质量和性能。
本文将探讨晶体生长技术以及条件控制方法，并介绍一些常见的晶体生长方法。
一、晶体生长技术1. 溶液法生长技术溶液法是一种常见的晶体生长技术。
它是通过在溶液中将固态物质溶解，并在适当的条件下形成晶体。
溶液中含有溶质和溶剂，溶质是需要生长的晶体物质，溶剂则是将溶质溶解的介质。
在溶液法生长晶体时，需要控制溶液的pH值、温度、浓度等因素，以及生长容器的形状和材质等。
2. 气相法生长技术气相法是一种将气体中的原子或分子进行反应生成晶体的生长技术。
它通常包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两种方法。
其中，CVD通过在反应装置中引入气体并调节温度、压力等条件，使气体中的原子或分子反应生成晶体。
PVD则是通过蒸发或溅射的方式将材料转化为气体，并在衬底上沉积形成晶体。
二、条件控制方法1. 温度控制温度是晶体生长过程中最重要的条件之一。
温度的控制直接影响晶体的生长速率、晶体形貌以及晶体结构。
适当的温度有利于晶体的纯净度和晶格结构的一致性。
因此，在晶体生长过程中，需要通过加热器、冷却器等装置来控制温度。
2. 浓度控制溶液法生长晶体时，溶液的浓度是一个关键因素。
过高的浓度会导致晶体的成核速率增加，从而影响晶体的生长形貌。
反之，浓度过低则会减缓晶体的生成速率。
因此，需要通过调节溶液中的溶质和溶剂的比例，控制溶液的浓度。
3. 动力学控制动力学控制是指通过控制晶体生长过程中的液相传质和质量传递来调节晶体生长速率和生长形貌。
可以通过改变溶液的搅拌速度、引入外加电场或磁场等方式来实现动力学控制。
4. 组成控制晶体的组成也是影响晶体性能的重要因素。
通过在溶液中调节溶质的浓度和比例，可以控制成核和晶体形貌。
此外，还可以通过改变溶液中的其他添加剂来调控晶体的成分。
晶体生长方法
溶解度曲线
溶解度曲线是选择从溶液中生长晶体的方法和生长温度区间的重要依据。 对于溶解度温度系数很大的物质，采用降温法比较理想，但对于溶解度 温度系数较小的物质则宜采用蒸发法，对于具有不同晶相的物质则须选择 对所需要的那种晶相是稳定的合适生长温度区间。
饱和与过饱和
从溶液中生长晶体过程的最关键因素是控制溶液的过饱和度。 主要途径有： (1)根据溶解度曲线，改变温度。 (2)采取各种方式(如蒸发、电解)移去溶剂．改变溶液成分。 (3)通过化学反应来控制过饱和度。
2. 坩埚下降法
优点：与提拉法比较，它可以把熔体密封在坩埚内，熔体 挥发很少，成分容易控制。由于它生长的晶体留在坩埚中
因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。
由于该法工艺条件容易掌握，易于实现程序化、自动化， 广泛用于生长闪烁晶体、光学晶体和其他一系列晶体，生 长晶体的直径和高度都可达几百毫米。近年来也用来生长 分解压力较大的半导体单晶。
4.退玻璃化再结晶
退玻璃化作用：大多数玻璃在加热时发生局部的再结晶。 微晶玻璃：是玻璃和晶体均匀分布的材料，利用退玻璃化 再结晶技术制得，通常在玻璃制造过程中增加加热处理晶 体工序。 总生产流程： 配料 熔融 玻璃 成型 加工 晶化 处理 再加 工
微晶玻璃的学名叫做玻璃陶瓷。具有玻璃和陶瓷的双 重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这 也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一样， 由晶体组成。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻 璃韧性强。
LCB(La2CaB10O19)
♥ 闪烁晶体：BGO (Bi4Ge3O12)、PbWO3
♥ 磁性材料：R3Fe5O12、(Te,Dy)Fe2
♥ 半导体材料：Si、Ge、GaAs、GaN
晶体生长方法综述
溶液生长 熔体生长 气相生长 固相生长
晶体生长方法 溶液法：方法简单，生长 速度慢，晶体应 力小，均匀性好 降温法 恒温蒸发法 循环流动法 温差水热法
熔体法：生长速度快，晶体的 纯度及完整性高 凝固析晶法 坩埚下降法 提拉法 泡生法 浮区法 焰熔法 助熔剂法 导模法
气相法：生长速度慢，晶体 纯度高、完整性好，宜于薄 膜生长
升华法 反应法 热解法
固相法：主要靠固体材料中的扩 散使非晶或多晶转变为单晶，由 于扩散速度小，不宜于生长大块 晶体 高压法、再结晶法
溶液法生长晶体
溶液和溶解度
溶液——由两种或两种以上物质所组成的均匀混合体 系称为溶液。 一定量溶液中含有溶质的量称为溶液的浓度。
几种表示方式： 1、体积摩尔浓度（mol):一升溶液中所含溶质的摩尔数 2、重量摩尔浓度（mol): 1000g溶剂中所含溶质的摩尔数 3、摩尔分数（x):溶质摩尔数对溶液总摩尔数之比 4、重量百分数：100g（或1000g）溶液中所含溶质的克数 5、重量比：100g（或是1000g）溶剂中所含溶质的克数
溶液法生长晶体
溶液分成稳定区、不稳定区和亚温区。稳定区是不饱和区，在这个区域里晶体 不能生长。亚温区是过饱和区，在这里不发生自发结晶，若有外来颗粒（包括 籽晶）投入，晶体就围绕它生长。不稳定区也是过饱和区，不过它的过饱和度 比亚温区大，会自发结晶。
溶液生长的过程必需控制在亚温区内进行，若在不稳定区内生长就会出现多晶。
溶液法生长晶体
溶解度——在一定温度和压力下，一定量的 溶剂候中能溶解溶质的量叫溶解度。 固体溶解度一般以一定温度下100g溶剂中能 溶解溶质的量。溶解度大小与温度有密切关 系。 根据溶解度曲线选择生长方法，溶解度温度 系数很大时，可采用降温法（如磷酸铝铵）； 若溶解度温度系数小，则采用蒸发法（如氯 化钠）
晶体的生长机理和控制方法
晶体的生长机理和控制方法晶体是由原子或分子有序排列而形成的有规律的固体结构，广泛应用于化学、生物、材料、电子等领域。
晶体的生长是指通过物质的凝聚和有序排列形成完整晶体过程，其机理和控制方法也是学术和实践上重要的问题。
一、晶体的生长机理晶体的生长机理涉及到热力学、动力学、热传导、质量传输、界面化学等多个方面。
其中主要包括以下几个方面的内容：1.核化与成核：在过饱和度条件下，原料分子集聚形成的不稳定凝聚体称为临界核(nucleus)，成核的速度与临界尺寸大小有关。
过大的临界尺寸会影响成核速度，过小则会限制晶体成长速率。
2.晶面生长与形核模式选择：晶体在生长过程中受到的外界环境和晶面热力势能的作用，会直接影响晶面造型和选择。
这也是研究晶体形貌和遗传的主要内容之一。
3.晶体成长速率：晶体生长速度受到物理、化学作用力和传质速率等影响，是一种非平稳过程。
晶面生长速率与色散系数、溶解度、传质系数等有关。
二、晶体的控制方法晶体的生长速率和生长状态的控制及调控，是晶体工艺和材料战略发展的主要研究方向之一。
以下是几种晶体生长控制方法的介绍：1.温度差控制法：是利用温度差异控制晶体生长速率和生长方向的一种方法。
在对称的两侧，控制温差形成温差层，从而调控晶体生长位置和速率。
2.流速控制法：流体在晶体表面的流动速度对晶体生长状态有明显影响。
通过调节流体流速来控制晶体生长速率和晶体形态。
3.添加控制剂：控制剂可以影响过饱和度和晶体成核速度。
通过添加控制剂来调节晶体的生长速率和生长方向。
4.电化学控制法：利用电场、电位或电流等电学性质，在晶体生长过程中对物质传输和物种吸附等过程进行有针对性的调节。
以上方法仅是晶体生长控制的概述，实际上还有其他方法，如冷却速率、溶液浓度、晶体取向控制等，具体选择方法还要根据晶体特性和工艺需求。
三、晶体的应用前景晶体作为一种重要的结晶材料，其应用领域广泛，包括但不限于以下几个方面：1.半导体电子学：从硅基结晶到磷化镓、硅锗合金、氧化锌等，晶体在电子学领域的应用尤为广泛，几乎所有电子器件都将其诞生地定义为晶体管！2.磁性材料：铁、钴、镍等金属的磁性，体现在固体晶体中体现出来。
晶体材料基础第九讲 晶体生长方法
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1897年Ostwald首先引入“不稳过饱和”和“亚稳过饱和” 的概念。
他把在无晶核存在下能自发析出固相的过饱和溶液称为 “不稳过饱和”溶液；
而把不能自发析出固相的过饱和溶液称为“亚稳过饱和” 溶液。
随后，Miers 对自发结晶和过饱和度之间的关系进行了广 泛的研究。发现：在溶解度曲线上方还有一条溶液开始自 发结晶的界限，称为过饱和曲线。
亚稳区的大小既与结晶物质的本性有关，也容易受外界条 件的影响，如搅拌、振动、温度、杂质等。
不同物质溶液的亚稳区差别相当大。
过饱和度的表示方式：
浓度驱动力: c = c-c* ——结晶过程的驱动力
过饱和比: s = c/c*
过饱和度 或相对过饱和度
= c /c* = s -1
过饱和度也可用温度来表示， t = t*- t （过冷度）
一定量的溶液中含有溶质的量称为溶液的浓度。
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❖溶液浓度的表示方法：
（1）体积摩尔浓度（M)：M = 溶质（mol数) / 1L溶液。 （2）重量摩尔浓度（m)：m = 溶质（mol数) / 1000g 溶剂 。
（3）摩尔分数（x)：x = 溶质（mol数) / 溶液总mol数。
（4）重量百分数( c)：c = 溶质克数 / 100g(or 1000g)溶液 。
L S (给定温度，压力)
➢ 溶解度是考察溶液中生长晶体的最基本的参数。
同一物质在不同的溶剂中有不同的溶解度，选择合适的 溶剂是晶体生长的重要任务之一。
在我们所讨论的体系中，压力对溶解度的影响是很小的， 但温度的影响却十分显著。物质在不同的温度下，其溶 解度是有明显差别的。
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体容易生长出来； 3)取向常常容易得到控制； 4)除脱溶以外的固相生长中，杂质和其他添加组分的分布
在生长前被固定下来，并且不被生长过程所改变(除稍微被 相当慢的扩散所改变外)。
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一、从固相中生长晶体
从固相中生长晶体的方法主要有五种： (1)利用退火消除应变的再结晶； (2)利用烧结生长； (3)利用多形性转变生长； (4)利用退玻璃化再结晶； (5)利用固态沉淀再结晶
第三章 晶体生长
3.1：前言 3.2：晶体生长热力学 3.3：相图及其在晶体生长中的应用 3.4：晶体生长动力学 3.5：晶体生长方法
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晶体的应用
晶体特别是单晶广泛应用于各个高新科技领域：
♥ 激光工作物质：YAG (Y3Al5O12) ♥ 非线性光学晶体：KDP(KH2PO4)、BBO(β-
BaB2O4)、LBO(LiB3O5)、CBO(CsB3O5)、 LCB(La2CaB10O19) ♥ 闪烁晶体：BGO (Bi4Ge3O12)、PbWO3 ♥ 磁性材料：R3Fe5O12、(Te,Dy)Fe2 ♥ 半导体材料：Si、Ge、GaAs、GaN ♥ 超硬材料：金刚石、立方氮化硼
再结晶技术制得，通常在玻璃制造过程中增加加热处理晶 体工序。 总生产流程：
配料
熔融
玻璃 成型
加工
晶化 处理
再加 工
微晶玻璃的学名叫做玻璃陶瓷。具有玻璃和陶瓷的双 重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这 也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一样， 由晶体组成。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻 璃韧性强。
(有时称作脱溶生长，此法尚未用于单晶生长)。
1.利用退火消除应变的再结晶
大部分利用应变—退火生长的晶体是金属单晶。 过程：熔融金属通过铸造得到多晶体，将铸锭变成棒、板
、片材等时，会产生塑性变形，储存大量的应变能，采用 退火工艺可以加速应变的消除，与此同时会发生再结晶， 从而得到较大尺寸的晶粒，有时为得到足够大的晶粒可以 进行多次退火。 例如：由于铝的熔点低(660℃)，对金属铝的再结晶和晶粒 长大有许多研究。在施加临界应变和退火生长过程前，铝 的晶粒尺寸大约为0.1mm。对99.99%的铝采用交替施加应变 和退火的方法，可以获得直径为5mm的晶粒。 用应变—退火的方法生长晶体的除铝以外，对铜、金、铁 、钼、铌、钽、钍、钛、钨、铀及铜合金、铁合金等均有
二、从溶液中生长晶体
溶液法的缺点： ➢ (1) 组分多； ➢ (2) 影响晶体生长的因素也比较复杂； ➢ (3) 生长周期长； ➢ (4) 低温溶液生长对控温精度要求很高，因为在一定的生长
温度(T)下，温度波动(ΔT)的影响主要取决于ΔT／T，在低 温下要求ΔT相对地小。对培养高质量的甚至是千分之几度。
♥ (3)使降温速度与晶体成核、生长速度相配匹
使晶体生长得均匀、晶体中没有浓度梯度、组成不偏离化 学整比性。
3.5 晶体生长方法
1 从固相中生长晶体 2 从液相中生长晶体 3 从熔体中生长晶体 4 助溶剂法生长晶体 5 用气相法生长晶体
5
一、从固相中生长晶体
从固相中生长晶体的主要优点在于： 1)可以在不添加组分的情况下较低温进行生长，即在熔点
如果在热压中升高温度，烧结所引起的晶体长大将更为显著 。热压生长MgO、Al2O3、ZnWO4等得到很大的成功,可以采用 这一技术生长出达7cm3的Al2O3晶体。
3.借助多形性转变生长
过程：先生长出高温多形体， 然后小心地使炉温降至室温， 并形成室温多形体单晶。 有时需要将低温多形体转变 为高温稳定多形体单晶，则 借助淬火把高温相“冻结” 起来。
二、从溶液中生长晶体
基本原理：将原料(溶质)溶解在溶剂中，采取适当的措施 造成溶液的过饱和，使晶体在其中生长。
溶液法具有以下优点： ➢ (1)晶体可以在远低于其熔点的温度下生长。
而且，低温下生长的热源和生长容器也较易选择。 ➢ (2)黏度较低。 ➢ (3)容易长成大块的、均匀性良好的晶体，
并且有较完整的外形。 ➢ (4)在多数情况下(低温溶液生长)，可直接观察晶体生长。
各种晶体材料
3.5 晶体生长方法
晶体生长方法：借助于各种技术或方法，由固体、液体或气体 发生复相化学反应生长成为晶体。
制备完整晶体的条件：
♥ (1)反应体系的温度要控制得均匀一致
以防止局部过冷或过热，影响晶体的成核和生长；
♥ (2)结晶过程要尽可能地慢
以防止自发成核的出现，因为一旦出现自发的晶核，就会 生成许多细小品体，阻碍晶体长大；
溶解度曲线
溶解度曲线是选择从溶液中生长晶体的方法和生长温度区间的重要依据。 对于溶解度温度系数很大的物质，采用降温法比较理想，但对于溶解度 温度系数较小的物质则宜采用蒸发法，对于具有不同晶相的物质则须选择 对所需要的那种晶相是稳定的合适生长温度区间。
饱和与过饱和
从溶液中生长晶体过程的最关键因素是控制溶液的过饱和度。 主要途径有： ➢ (1)根据溶解度曲线，改变温度。 ➢ (2)采取各种方式(如蒸发、电解)移去溶剂．改变溶液成分。 ➢ (3)通过化学反应来控制过饱和度。 ➢ (4)用亚稳相来控制过饱和度，即利用某些物质的稳定相和亚稳相的
2.利用烧结生长
烧结就是加热压实的多晶粉末。
烧结中晶粒长大的动力：产生应变加工时做功；晶粒表面的 自由能；样品中不同晶粒取向之间的自由能差。
烧结通常仅用于非金属中晶粒的长大。如果加热多晶金属得 到晶粒，该过程一般被称作应变—退火的一种特殊情况。
在1450℃以上烧结多晶钇铁石榴石Y3Fe5O12可以得到5mm大的 石榴石晶体。利用烧结法对铜锰铁氧体、BeO、Al2O3等均可 观察到晶粒长大。气孔、添加物、原始晶粒的尺寸等会影响 烧结生长晶体。
对于大多数高压多形性转变， 相变进行得很快，往往以一种 不可控制的方式进行。因此， 利用高压形性转变较难生长出 具有合适尺寸的单晶。利用高压 形性转变生长晶体的典型例子是金刚石的合成。
4.退玻璃化再结晶
退玻璃化作用：大多数玻璃在加热时发生局部的再结晶。 微晶玻璃：是玻璃和晶体均匀分布的材料，利用退玻璃化