材料合成与制备的基本途径

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1、材料合成与制备赵雷李亚伟无机非金属材料系/13:55:47第二章材料合成与制备的基本途径材料合成与制备的基本途径：基于液相—固相转变的材料制备基于固相－固相转变的材料制备基于气相—固相转变的材料制备/13:55:472.1基于液相—固相转变的材料制备基于液相—固相转变的材料制备一般可分为两类：(1)是从熔体出发，通过降温固化得到固相材料，如果条件适合并且降温速率足够慢可以得到单晶体，如果采用快冷技术可以制备非晶(玻璃态)材料；(2)从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经固化得到固相材料。/13:55:

2、472.1.1从熔体制备单晶材料单晶材料Singlecrystal:atomsareinarepeatingorperiodicarrayovertheentireextentofthematerialPolycrystallinematerial:comprisedofmanysmallcrystalsorgrains.Thegrainshavedifferentcrystallographicorientation.Thereexistatomicmismatchwithintheregionswheregrains

3、meet.Theseregionsarecalledgrainboundaries./13:55:47单晶材料BasicCharacteristicofCrystals各向异性均一性同质性HomogeneityUndermacroscopicobservation,thephysicseffectandchemicalcompositionofacrystalarethesame.AnisotropyPhysicalpropertiesofacrystaldifferaccordingtothedirection

4、ofmeasurement./13:55:47AnisotropyDifferentdirectionsinacrystalhavedifferentpacking.Forinstance,atomsalongtheedgeofFCCunitcellaremoreseparatedthanalongthefacediagonal.Thiscausesanisotropyinthepropertiesofcrystals,forinstance,thedeformationdependsonthedirectioninwh

5、ichastressisapplied./13:55:47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。(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

6、)通过化学反应，生成难溶物质。/13:55:47NonlinearOpticalCrystal(LiB3O5)ScintillatingCrystal(HgI).ScintillatingCrystal(Bi4Ge3O12)LaserCrystals(YAl5O12)Electro-OpticCrystals(Bi12SiO20)OpticalCrystals(CaF2)NonlinearOpticalCrystals(KNbO3)NonlinearOpticalCrystals(KNbO3)NonlinearOptic

7、alCrystals(KTiOPO4)/13:55:47直拉法(Czochralski法)特点是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

8、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素的逃逸./13:55:47/13:55:47ThistechniqueoriginatesfrompioneeringworkbyCzochralskiin1917whopulledsinglec