单晶材料的制备.ppt

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1、单晶材料的制备站长素材SC.CHINAZ.COM单晶材料的发展与概述固相-固相平衡的晶体生长液相-固相平衡的晶体生长常用单晶材料的制备方法1234目录2晶体学的发展天然晶体——石英50万年以前，蓝田猿人和北京猿人使用的工具——石英早在南北朝，陶弘景就指出它“六面如削”的形状宋代杜绾的《云林石谱》也说“其质六棱”3人造晶体出现也很早——食盐《演繁露》中记载有：“盐已成卤水，暴烈日中，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数十印累累相连。”这实际上就是从过饱和溶液中生长晶体的方法。《演繁露》为宋代程大昌所撰，成

2、书于1000多年以前。4银朱——人造辰砂的制造李时珍引用胡演的《药丹秘诀》说：“升炼银朱，用石亭脂二斤，新锅内熔化。次下水银一斤，炒作青砂头。炒不见星，研末罐盛，石版盖住，铁线缚定，盐泥固济，大火锻之，待冷取出。贴罐者为银朱，贴口者为丹砂。”这实际上是汞和硫通过化学气相沉积而形成辰砂的过程，称为“升炼”。我们现在生长砷化镓一类的光电晶体，基本上还在用“升炼”的方法，实际上这种方法在炼丹术时代就已经开始使用了。5国际上——结晶学萌芽于17世纪丹麦学者晶面角守恒定律晶体生长大部分工作室从20世纪初期才开始

3、的1902年焰熔法1905年水热法1917年提拉法1952年Pfann发展了区熔技术1949年，英国法拉第学会举行了第一次关于晶体生长的国际讨论会，为以后晶体生长的理论奠定了基础。晶体生长的理论发展，特别是伯顿等人提出的理论，推动了晶体理论的向前发展。6我国——现代人工晶体材料的研究开创于上世纪50年代中期领域的研究从无到有，从零星的实验室研究发展到初具规模的产业，进展相当迅速。现在我国的人工水晶，人造金刚石已成为一个高技术产业。BGO、KTP、KN、BaTiO3和各类宝石晶体均已进入国际市场BBO、

4、LBO、LAP等晶体也已经达到了国际水平。我国每三年召开一次全国人工晶体生长学术交流会，就晶体生长理论与技术，新材料晶体的研制，进行广泛的学术交流。7单晶体的基本性质（1）均匀性（2）各向异性（3）自限性（4）对称性（5）最小内能和最大稳定性单晶体概述8单晶材料制备方法1.制备方法的选择——取决于晶体物质的性质2.晶体生长类型3.常用单晶生长方法单组分结晶多组分结晶固相-固相平衡的晶体生长液相-固相平衡的晶体生长气相-固相平衡的晶体生长9固相—固相平衡的晶体生长优点：生长温度低；晶体形状可预先固定。缺

5、点：难以控制成核以形成大晶粒。10晶粒长大示意图11与晶界曲率相关的晶界运动12晶粒间界形核示意图多变化示意图13应变退火法制备铝单晶1.在550℃使铝退火，以消除应变的影响并提供大小合乎要求的晶粒。2.初始退火后，较低温度下回复退火，以减少晶粒数目，使晶粒在后期退火时更快地长大，在320℃退火4h以得到回复，加热至450℃，并在该温度下保温2h，可以获得15cm长，直径为1mm的丝状单晶。3.在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s，并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品还有2mm大小晶粒

6、和强烈的织构，再经一温度梯度，然后加热至640℃，可以得到1m长的晶体。4.采用交替施加应变和退火的方法，可以得到2.5cm的高能单晶铝带，使用的应变不会促使新晶粒成核，退火温度为650℃。14基本理论定向凝固技术提拉法泡生法区域熔化技术液相-固相平衡的晶体生长15从熔体中生长单晶的最大优点在于：熔体生长速率大多快于溶液生长、晶体的纯度和完整性高16基本理论1.晶体生长驱动力——过冷度冷却速度↑，过冷度↑，晶体生长速度↑冷却速度↓，过冷度↓，晶体生长速度↓172.形核理论晶体生长可以分为成核和长大两个

7、阶段。成核过程主要考虑热力学条件。长大过程则主要考虑动力学条件。在晶体生长过程中，新相核的发生和长大称为成核过程。成核过程可分为均匀成核和非均匀成核。18均匀成核：所谓的均匀成核，是指在一个热力学体系内，各处的成核几率相等。由于热力学体系的涨落现象，在某个瞬间，体系中某个局部区域偏离平衡态，出现密度涨落，这时，这个小局部区域中的原子或分子可能一时聚集起来成为新相的原子集团（称为胚芽）。这些胚芽在另一个瞬间可能又解体成为原始态的原子或分子。但某些满足一定条件的胚芽可能成为晶体生长的核心。如果这时有相变驱

8、动力的作用，这些胚芽可以发展成为新的相核，进而生长成为晶体。晶核的形成存在一个临界半径，当晶核半径小于此半径时，晶核趋于消失，只有当其半径大于此半径时，晶核才稳定地长大。19非均匀成核：所谓非均匀成核，是指体系在外来质点，容器壁或原有晶体表面上形成的核。在此类体系中，成核几率在空间各点不同。自然界中的雨雪冰雹等的形成都属于非均匀成核。实际上，在所有物质体系中都会发生非均匀成核。有目的地利用体系的非均匀成核，可以达到特殊的效果和作用。20温度梯度分布对晶体