材料合成与制备的基本途径备课讲稿.ppt

《材料合成与制备的基本途径备课讲稿.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、材料合成与制备的基本途径单晶材料BasicCharacteristicofCrystalsHomogeneityUndermacroscopicobservation,thephysicseffectandchemicalcompositionofacrystalarethesame.AnisotropyPhysicalpropertiesofacrystaldifferaccordingtothedirectionofmeasurement.均一性同质性各向异性单晶材料的制备必须排除对材料性能有害的杂质原子和晶体缺陷。低杂质含量、结晶完美的单晶材料多由熔体生长得到

2、。(1)从熔体中结晶当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是说，只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。(2)从熔体中结晶当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。其方式有：1)温度降低，如岩浆期后的热桩越远离岩浆源则温度将渐次降低，各种矿物晶体陆续析出.2)水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶出来.3)通过化学反应，生成难溶物质。NonlinearOpticalCrystal(LiB3O5)ScintillatingCrystal(HgI).ScintillatingCrystal(Bi4Ge3O12)直拉法(C

3、zochralski法)特点:所生长的晶体的质量高，速度快。熔体置于坩埚中，一块小单晶，称为籽晶，与拉杆相连，并被置于熔体的液面处。加热器使单晶炉内的温场保证坩埚以及熔体的温度保持在材料的熔点以上，籽晶的温度在熔点以下，而液体和籽晶的固液界面处的温度恰好是材料的熔点。随着拉杆的缓缓拉伸(典型速率约为每分钟几毫米)，熔体不断在固液界面处结晶，并保持了籽晶的结晶学取向。为了保持熔体的均匀和固液界面处温度的稳定，籽晶和坩埚通常沿相反的方向旋转(转速约为每分钟数十转).直拉法单晶生长示意图1：籽晶；2：熔体；3、4：加热器高压惰性气体(如Ar)常被通入单晶炉中防止污染并抑制易挥发元

4、素的逃逸.坩埚下降法（定向凝固法）基本原理:使装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场。开始时整个物料都处于熔融状态，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随着坩埚的移动，固液界面不断沿着坩埚平移，直至熔体全部结晶。使用此方法，首先成核的是几个微晶，可使用籽晶控制晶体的生长。坩埚下降法单晶生长装置和温场示意图1：容器；2：熔体；3：晶体；4：加热器；5：下降装置；6：热电偶；7：热屏区熔法沿坩埚的温场有一个峰值，在这个峰值附近很小的范围内温度高于材料的熔点。这样的温场由环形加热器来实现。在多晶棒的一端放置籽晶，将籽晶附近原料熔化后，加热器向远离仔晶方向移动，熔体即在籽晶基础上

5、结晶。加热器不断移动，将全部原料熔化、结晶，即完成晶体生长过程。水平和悬浮区熔法单晶生长示意图1：仔晶；2：晶体；3：加热器；4：熔体；5：料棒；6：料舟悬浮区熔法不用容器，污染较小，但不易得到大尺寸晶体。利用溶质分凝原理，区熔法还被用来提纯单晶材料，多次区熔提纯后使晶体中的杂质聚集在材料的一端而达到在材料的其他部分提纯的目的。液相外延(LPE)料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶衬底时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长为单晶薄膜。在料舟中装人不同成分的熔体，可以逐层外延不同成分的单晶薄膜。选择合适的衬底，可以从熔体中得到单晶薄膜。液相外延生长技术示意图1：热电偶；2：

6、石墨料舟；3：不同组分的熔体；4：衬底工艺简单，能够制备高纯度结晶优良的外延层，但不适合生长较薄的外延层。1.2从熔体制备非晶材料高温熔体处于无序的状态，如果能使熔体急速地降温，以至生长甚至成核都来不及发生就降温到原子热运动足够低的温度，这样就可以把熔体中的无序结构“冻结”保留下来，得到结构无序的固体材料，即非晶，或玻璃态材料。主要的急冷技术：雾化法、急冷液态溅射、表面熔化和自淬火法。雾化法是将熔融金属用气流、液体或机械方法破碎成小液滴，随后凝固成粉末。冷却速率一般为103-105K／s；急冷液态溅射是将熔融金属或合金溅射到高速旋转的具有高导热系数的辊面上，熔体在辊面上急速

7、降温，形成20~50mm厚的非晶薄带。急冷液态溅射法制备非晶薄带示意图1一铜辊；2一加热器；3一熔体；4一非晶薄带表面熔化和自淬火法用激光束或电子束使合金表面一薄层(厚度<10mm)迅速熔化，未熔化部分为冷体，使熔化层迅速凝固。冷却速率可达105~108K／s。2.溶液法制备单晶材料基本原理：使晶体原料作为溶质，溶于合适的溶剂中，用一定的方法使溶液过饱和，从而结晶。通过放置仔晶，可以对晶体的取向进行控制。2.1溶液变温法生长单晶饱和溶液和仔晶置于容器中，以一定的速率降低溶液温度，溶质在仔晶上析出，晶体得以长大。溶液