第四章 熔体中的晶体生长技术(提拉法)
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。
晶体生长方法
晶体生长方法单晶体原则上可以由固态、液态（熔体或溶液）或气态生长而得。
实际上人工晶体多半由熔体达到一定的过冷或溶液达到一定的过饱和而得。
晶体生长是用一定的方法和技术，使单晶体由液态或气态结晶成长。
由液态结晶又可以分成熔体生长或溶液生长两大类。
熔体生长法这类方法是最常用的，主要有提拉法（又称丘克拉斯基法）、坩埚下降法、区熔法、焰熔法（又称维尔纳叶法）等。
提拉法此法是由熔体生长单晶的一项最主要的方法，被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。
坩埚可以由高频感应或电阻加热。
半导体锗、硅、氧化物单晶如钇铝石榴石、钆镓石榴石、铌酸锂等均用此方法生长而得。
应用此方法时控制晶体品质的主要因素是固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应等。
坩埚下降法将盛满材料的坩埚置放在竖直的炉内,炉分上下两部分，中间以挡板隔开，上部温度较高，能使坩埚内的材料维持熔融状态，下部则温度较低，当坩埚在炉内由上缓缓下降到炉内下部位置时，材料熔体就开始结晶。
坩埚的底部形状多半是尖锥形，或带有细颈,便于优选籽晶,也有半球形状的以便于籽晶生长。
晶体的形状与坩埚的形状是一致的，大的碱卤化合物及氟化物等光学晶体是用这种方法生长的。
区熔法将一个多晶材料棒，通过一个狭窄的高温区，使材料形成一个狭窄的熔区，移动材料棒或加热体，使熔区移动而结晶，最后材料棒就形成了单晶棒。
这方法可以使单晶材料在结晶过程中纯度提得很高，并且也能使掺质掺得很均匀。
图3为区熔法的原理图。
区熔技术有水平法和依靠表面张力的浮区熔炼两种。
焰熔法这个方法的原理是利用氢和氧燃烧的火焰产生高温，使材料粉末通过火焰撒下熔融，并落在一个结晶杆或籽晶的头部。
由于火焰在炉内形成一定的温度梯度，粉料熔体落在一个结晶杆上就能结晶。
小锤敲击料筒震动粉料，经筛网及料斗而落下，氧氢各自经入口在喷口处，混合燃烧，结晶杆上端插有籽晶，通过结晶杆下降，使落下的粉料熔体能保持同一高温水平而结晶。
提拉法
作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
籽晶用籽晶夹来装夹。籽晶要求选用无位错或位错密度低的相应宝石单晶。
（3）传动系统
生长பைடு நூலகம்点
（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中，熔体的温度控制是关键。要求熔体中温度的分布在固液界面处保持熔点温度，保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度，熔体的其余部分保持过热。这样，才可保证熔体中不产生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的结构排列成单晶。为了保持一定的过冷度，生长界面必须不断地向远离凝固点等温面的低温方向移动，晶体才能不断长大。另外，熔体的温度通常远远高于室温，为使熔体保持其适当的温度，还必须由加热器不断供应热量。
为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
（4）气氛控制系统
不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。如钇铝榴石和刚玉晶体需要在氩气气氛中进行生长。该系统由真空装置和充气装置组成。
（5）后加热器
后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、 陶瓷或多层金属反射器如钼片、铂片等制成。通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在后热器中冷却至室温。后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制晶体的直径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。
（2）提拉速率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。
晶体生长
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。
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低维半导体材料及量子器件
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天然石榴石低维半导体材料及量子器件
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YIG
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YIG
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人工合成GGG
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天然形成的石榴石主要是金属的硅酸盐
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边界层 厚度的 起伏
温场对称 晶体旋转
温场不对称
生长层的形成
生长 速率 起伏
机械振动
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6 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制
晶体在生长(或降温)过程中所以会产生缺陷， 大体上是由以下几个方面的因素造成的： a 物质条件； b 热力学因素； c 分凝和组分过冷； d 温度分布和温度波动．
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• a物质条件：
包括生长设备的稳定性，有害杂质的影响， 籽晶。
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石榴石生长的主要方法在于原料的区别和 是否考虑掺杂问题，一般生长过程包括以 下几个方面：
a 原料准备 b 保护气氛 c 生长条件 d 掺杂生长 e 晶体的透过率与颜色
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• a 原料准备:Ga2O3（氧化镓）Gd2O3（氧化 钆）经过焙烧，脱水，按照比例配料，混合 后经压机压紧后在1250℃进行固相反应，充 分反应后的原料可供晶体生长使用。
• e 晶体的透过率与颜色：
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纯GGG和掺杂Cr3＋
晶体提拉法
• 采用电阻加热，方法简单，容易控制。保 温装置通常采用金属材料以及耐高温材料 等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电 阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温 装置。
• 控温装置主要由传感器、控制器等精密仪 器进行操作和控制。
2.后热器 3.坩锅
传动系统
气氛控制 系统
传动系统
为了获得稳定的旋转和升降，传动系 统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
2. 提拉法含有气体包体，且气泡分布不均 匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。
• 3. 提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、 钨或钼金属坩埚中熔化原料的，可能含 有金属包体。
• 4. 提拉法生长的宝石晶体原料在高温下 加热熔化，偶尔可见未熔化的原料粉末。
• 5. 提拉法生长的宝石晶体时，由于采用 籽晶生长，生长成的晶体会带有籽晶的 痕迹。并且可能产生明显的界面位错。
极限生长速率fmax ：
对于纯材料：
fmax
Ks
l
( T z
)s
(Ks为晶体的导热率)
对于掺质的材料
f max
D[ke
(1 ke ) exp( mcl (B) ((1 ke
f
D )
c)]
(
T z
)l
4 晶体提拉法生长宝石实例
－蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石 单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作 红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、 仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。 提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导 体发光及集成电路的大量需要。
3 晶体提拉法生长工艺
A 生长过程。 B 直径自动控制。（ADC技术） C 材料挥发的控制。 D 温场的选择与控制。 E 生长速率的控制。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）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 ），如图1，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。
图1 提拉法晶体生长装置结构示意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）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可用于生长具有图2HEM晶体生长装置结构示意图特定形状要求的晶体。
第四章 熔体中的晶体生长技术(提拉法).
最后：缩颈工艺，将熔 体充分加热，使籽晶适 当回熔一部分，然后通 过加大提拉速度，使得 籽晶的直径尽可能缩小， 当晶体生长出一段明显 变细的长度后，可让晶 体的直径增大。我们把 这样一过程称为缩颈。
反复的缩颈工艺
•
由于位错往往与生长轴成一个 夹角，如果以（100）和（111）晶 向生长时，其滑移面与其生长方向 成36.16度和19.28度。故需长出足够 长的晶体或通过反复进行的缩颈工 艺，能使位错沿着滑移面延伸至晶 体表面而消失，从而可生长出无位 错单晶体。缩颈工艺通常是采用快 拉,将晶体直径缩小到大约为3mm左 右.
极限生长速率f max ：
对于纯材料： K T f max s ( ) s ( K s为晶体的导热率) l z
对于掺质的材料 f max f D[ke (1 ke ) exp( c)] T D ( )l mcl ( B ) ((1 ke ) z
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• 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG）
& 4.3提拉法生长工艺
1 提拉法生长设备介绍 2 提拉法生长工艺介绍 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石 4 提拉法生长晶体实例 －蓝宝石提拉晶体界面翻转的控制 5 提拉法生长晶体实例 －单晶硅的缩颈工艺 6 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制 7 提拉法生长宝石晶体的鉴别 8 几种宝石鉴别
提拉法生长仿祖母 绿合成品
旋转引起条纹
生长纹往往深浅不一
生长条纹显微 结构
天然蓝宝石六边形生长纹
人造蓝宝石是在高温熔炉中生成的， 结晶时间很短，没有时间沿六边形的晶 形方向规则地排列，而是一层一层地增 添在弧形（圆柱体的表面）宝石的表面 上，并逐步形成了弯曲的“圆弧形生长 线”。凡是有这种圆弧形生长线或圆环 形色带的蓝宝石，就一定是人造品。
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极限生长速率f max ：
对于纯材料： K T f max s ( ) s ( K s为晶体的导热率) l z
对于掺质的材料 f max f D[ke (1 ke ) exp( c)] T D ( )l mcl ( B ) ((1 ke ) z
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• 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG）
& 4.3提拉法生长工艺
1 提拉法生长设备介绍 2 提拉法生长工艺介绍 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石 4 提拉法生长晶体实例 －蓝宝石提拉晶体界面翻转的控制 5 提拉法生长晶体实例 －单晶硅的缩颈工艺 6 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制 7 提拉法生长宝石晶体的鉴别 8 几种宝石鉴别
提拉法生长仿祖母 绿合成品
天然石榴石
YIG
YIG
人工合成GGG
天然形成的石榴石主要是金属的硅酸盐 例如：Ca3Fe2[SiO4] ，Mn3Al2[SiO4]3． 人工研制的石榴石，如钇铁石榴石(YIG)、 钇铝石榴石(YAG)和钆镓石榴石(GGG)等. 以上三大类人工石榴石，即由稀士(Yt,Nd） 和铁、铝、镓（Ga）分别完全取代天然石榴石 中的金属元素和硅，所形成的稀土铁石榴石、 稀土铝石榴石和稀土镓石榴石．
纯GGG和掺杂Nd3＋
4提拉法生长晶体实例 －蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石 单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作 红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、 仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。 提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导 体发光及集成电路的大量需要。
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• e 生长速率的控制 • 提拉速度不能超过临界值，该临界值决定于材 料的性质和生长参数。例如：晶体热导率Ks较 高的材料比Ks较低的材料（氧化物或者是有机 物）可有较大的生长率 。 • 生长参数：界面翻转、晶体内所允许的最大热 应力 • fp宏观生长率fo大于晶体的提拉速率fo≈(R2/R2r2)fp R和r分别为甘埚和晶体的半径。
提拉法生长无色蓝宝石
1 提拉法生长设备介绍
加热 系统 1.保温
YAG生长设备
传动系统
2.后热器
气氛控制 系统
3.坩锅
后热器的 主要作用 是调节晶 长过程。
b直径自动控制。（ADC技术） c材料挥发的控制。 d 温场的选择与控制。 e 生长速率的控制。
• c生长条件：提拉速度一般在5-10mm/h范 围内。若掺质或生长大直径的晶体，要 放慢生长速度。生长最合适的方向为＜ 111＞ • d 掺杂生长：掺质生长存在一个分凝问题。 分凝系数有的大于1有的小于1，因此掺 质的浓度也不同。 • e 晶体的透过率与颜色：
纯GGG和掺杂Cr3＋
纯GGG和掺杂Co3＋
• 覆盖物质应具有以 下性质：密度小于 熔体的密度，透明， 对熔体、坩埚和气 氛是化学惰性的， 能够浸润晶体、熔 体和坩埚，并具有 较大的粘度。目前， 最好的覆盖物质是 熔融的B2O3
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• d 温场的选择与控制 为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为防止 开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯度。因 此，所谓合适的温场没有一个严格的判据。 一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度（特别是 界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采用小的温 度梯度。因此，合适的温场的选择和控制，只能根据 材料特性作出初步判断，通过实验加以解决。 加大温度梯度方法：缩小熔体和熔体上方空间的距离 （轴向距离） 减小温度梯度的方法：采用适当的后热器
在这三类稀土石榴石中，稀土铁石榴石(YIG) 不透明，难以用作装饰品； 稀土铝石榴石(YAG)存在折射率不够高，不 易掺质． 稀土镓石榴石(GGG)由于其本身的结构特点， 不但能进行多种形式的掺质，而且通过辐照还可 以形成稳定的色心，使其单晶体呈现绚丽多彩的 漂亮颤色，最适宜作为装饰宝石材料。常用的掺 质元素为：Cr,Co,Ni等过渡族元素氧化物和稀土 Nd,Er的氧化物。
• 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG）
a生长过程
b 直径自动控制（ADC）
弯月面光反射法：
晶体等径生长时对应的弯月面角为： L 当l
L时，直径扩大；反之，缩小。
L的大小取决与材料的性质，不为0的 L意味着 晶体与熔体之间是非完全浸润的。
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• c材料挥发的控制 • 高温下材料的挥发，改变了熔体的化学 配比，造成熔体某成分的过剩，组分过 冷的改变等一系列影响。因此，人们发 展了液相覆盖技术和高压单晶炉。
石榴石生长的主要方法在于原料的区别和 是否考虑掺杂问题，一般生长过程包括以 下几个方面： a 原料准备 b 保护气氛 c 生长条件 d 掺杂生长 e 晶体的透过率与颜色
• a 原料准备:Ga2O3（氧化镓）Gd2O3（氧化钆） 经过焙烧，脱水，按照比例配料，混合后经 压机压紧后在1250℃进行固相反应，充分反 应后的原料可供晶体生长使用。 • b保护气氛：GGG的熔点为1750摄氏度，一般 采用铱坩埚，但铱坩埚存在氧化的问题。因 此加入高纯氮气和2%的氩气。
• 原料： 白色合成蓝宝石碎块＋TiO2+Fe2O3， TiO2、Fe2O3配比视颜色而定。 • 工艺参数：2050℃以上，转速：10－ 15r/min ,提拉：1－10mm/h
放肩过程中在dt时间内凝固的晶体质量为：
dm ( r 2 dz 2 rdrz ) v dz / dt 式中： r 2 dz为高为dz的柱体的体积 2 rdrz 为高为z的锥环柱的体积 dm / dt r 2v 2 r (d 2 r / dt 2 )
石榴石主要包括的六种矿物： （1）镁铝榴石（Pyrope） ，也叫红榴石 （2）铁铝榴石（Almandine） ，也叫贵榴石 （3）锰铝榴石（Spessartite） （4）钙铝榴石（Grossular）， 水钙铝榴石 （5）钙铁榴石（Andradite），含Cr叫翠榴石 （6）钙铬榴石（Uvarovite） ，也叫绿榴石