Функциональные кристаллические материалы

Метод приготовления

Метод расплава

Выращивание кристаллов из расплава — один из наиболее распространенных и важных методов получения крупных монокристаллов и монокристаллов определенной формы.

Большинство монокристаллических материалов, необходимых в современных технических приложениях, таких как электроника и оптика, получают методами выращивания из расплава, таких как монокристаллический кремний, GaAs (нитрид галлия), LiNbO3 (ниобат лития), Nd:YAG (иттербий-алюминий, легированный неодимом). гранат), Al2O3 (белый драгоценный камень) и некоторые щелочноземельные металлы и галогенированные соединения щелочноземельных металлов и др.

По сравнению с другими методами выращивание из расплава обычно имеет преимущества быстрого роста, высокой чистоты и целостности кристаллов. Простой принцип выращивания кристаллов методом расплава заключается в расплавлении сырья для выращивания кристаллов и затвердевании его в монокристалл при определенных условиях. Плавление сырья и затвердевание расплава являются двумя основными этапами.

Расплав должен затвердевать направленно в контролируемых условиях, а процесс роста осуществляется за счет движения границы раздела твердое тело-жидкость. Для выращивания кристаллов в расплаве температура системы должна быть ниже равновесной. Состояние, при котором температура системы ниже равновесной, называется переохлаждением.

Абсолютная величина недогрева – это степень недогрева, которая указывает на величину недогрева системы. Степень переохлаждения является движущей силой роста кристаллов методом расплава. Для определенного кристаллического вещества основным фактором, определяющим скорость роста кристаллов при определенной степени недогрева, является относительная величина температурного градиента между кристаллом и расплавом.

Метод решения при нормальной температуре

Выращивание кристаллов из раствора имеет самую длительную историю и широко используется. Основной принцип этого метода состоит в том, чтобы растворить растворенное сырье в растворителе и принять соответствующие меры, чтобы вызвать перенасыщенное состояние раствора, в котором выращиваются кристаллы. Метод решения имеет следующие преимущества:

1. Кристаллы можно выращивать при температурах значительно ниже их температуры плавления. Существует множество кристаллов, которые разлагаются ниже температуры плавления или подвергаются нежелательным кристаллографическим превращениям, а некоторые из них имеют высокое давление пара при плавлении. Решение позволяет этим кристаллам расти при более низкой температуре, что позволяет избежать вышеуказанных проблем. Кроме того, легче выбрать источник тепла и сосуд для выращивания кристаллов при низких температурах.

2. Пониженная вязкость. Некоторые кристаллы в расплавленном состоянии очень вязкие, не могут образовывать кристаллы и при охлаждении становятся стеклообразными.

3. из него легко вырастить крупные однородные кристаллы полной формы.

4. в большинстве случаев процесс роста кристаллов можно наблюдать непосредственно, что облегчает изучение кинетики роста кристаллов. Недостатками метода растворения являются многокомпонентность, сложность факторов, влияющих на рост кристаллов, медленная скорость роста и длительный период (обычно он занимает десятки дней или даже более года).

Кроме того, метод раствора требует высокой точности контроля температуры роста кристаллов. Необходимое условие роста кристаллов растворным методом: концентрация раствора превышает равновесную концентрацию при данной температуре, т. е. степень пересыщения. Движущей силой является степень пересыщения.

Метод высокотемпературного раствора

Метод высокотемпературного раствора является важным методом выращивания кристаллов и был одним из методов, используемых в ранней алхимии. Выращивание кристаллов из раствора или расплавленного солевого растворителя при высоких температурах позволяет растворенной фазе расти при температурах значительно ниже ее точки плавления. Этот метод имеет следующие преимущества перед другими методами:

1. Высокая применимость: если вы можете найти подходящий флюс или комбинацию флюсов, вы можете выращивать монокристаллы.

2. Многие тугоплавкие соединения и температура плавления очень летучие или высокая температура, когда происходит изменение стоимости или фазовый переход материалов, а также неидентичный состав расплавленных соединений, которые не могут расти непосредственно из расплава или не могут расти. полные высококачественные монокристаллы, метод флюса из-за роста при низкой температуре, показывающий, что метод флюса демонстрирует уникальные способности из-за низкой температуры роста.

Недостатки получения кристаллов методом расплавленных солей:

медленный рост кристаллов; нелегко наблюдать; флюсы часто токсичны; небольшой размер кристаллов; взаимное загрязнение многокомпонентными флюсами.

Этот метод подходит для приготовления следующих материалов:

(1) материалы с высокой температурой плавления;

(2) материалы с фазовым переходом при низкой температуре;

(3) компоненты с высоким давлением паров в компонентах. Основной принцип: метод высокотемпературного раствора представляет собой кристаллический материал, растворенный в подходящем флюсе в условиях высокой температуры с образованием раствора, и его основной принцип такой же, как и метод раствора при комнатной температуре. Однако выбор флюса и определение фазового соотношения раствора является обязательным условием роста кристаллов методом высокотемпературного растворения.

Физико-химический метод паровой фазы

Так называемый газофазный метод выращивания кристаллов заключается в преобразовании выращиваемого кристаллического материала в газовую фазу посредством процесса сублимации, испарения и разложения, а затем в соответствующих условиях превращение его в насыщенный пар и превращение его в кристалл путем конденсации и разложения. кристаллизация. Характеристиками роста кристаллов газофазным методом являются:

1. высокая чистота выращиваемых кристаллов;

2. хорошая целостность выращенных кристаллов;

3. медленная скорость роста кристаллов;

4. ряд трудноконтролируемых факторов, таких как градиент температуры, степень пересыщения, расход несущего газа и т. д. В настоящее время газофазный метод в основном применяется для выращивания НК и роста эпитаксиальных пленок (гомогенных и гетерогенная эпитаксия), тогда как рост объемных кристаллов большого размера имеет свои недостатки.

Парофазный метод можно разделить на два основных типа: Физический.

Осаждение из паровой фазы (PVD): преобразование поликристаллических материалов в монокристаллы путем физической коалесценции, такой как сублимация-конденсация, молекулярно-лучевая эпитаксия и катодное распыление;

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD): Преобразование поликристаллического сырья в монокристаллы в газовой фазе с помощью химических процессов, таких как метод химического транспорта, метод газового разложения, метод газового синтеза и метод MOCVD.