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晶体培育

[拼音]:jingti peiyu

[外文]:crystal growth

研究晶体特别是单晶体生长方法和晶体生长机理的化学、物理学及晶体学,以及晶体质量的检验和控制等。是现代科学的一个重要领域。单晶体通常是指在宏观尺度范围内不包含大角度晶界的晶体。在自然界中存在着许多大的单晶体,如水晶、方解石、金刚石等。但多数金属、氧化物、盐类等均不以单晶体的形式存在,这些物质的单晶往往需要用人工的方法加以培育。随着现代科学和工程技术的发展,单晶在理论上和实用上都占有重要的地位,例如:许多半金属(锗、硅等)和Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅵ族化合物单晶是制作电子、 激光和红外器件的材料。在金属物理和材料科学领域内,如金属强度、形变、相变、晶体缺陷和扩散等,单晶也是重要的研究对象。由于研究的内容不同和实际应用的差别,对晶体的大小和质量的要求也各不相同,因此出现许多培育晶体的方法。

从熔体中培育单晶

(1)提拉法 将金属或合金在保护气氛下加热熔化,然后用一定取向的籽晶引提熔体,一面旋转,一面按一定速度上升,溶体在上升过程中逐渐凝固结晶成单晶。这种方法是1918年波兰的乔赫拉斯基(J.Czochraski)首先提出的,故称为乔赫拉斯基法(或称提拉法),见图1。由于这种方法比较简便,能生长质地优良的近完整单晶,特别是美国达什(W.C.Dash)提出缩颈-细颈工艺之后,能生长无位错和少位错大直径单晶。在没有籽晶时,也可慢速拉成细颈使得某一晶粒充分发育,以至细颈仅包含一个晶粒,这样继续生长也可得到单晶。现在此法在控制单晶体的质量、制取大直径单晶和自动化操作方面取得很大进展。

(2)区域熔化(简称区熔)法 是培育单晶的另一类方法。它用可移动的加热线圈形成可移动的熔区,以多晶棒为原料。在加热多晶棒端部形成熔区时,用比多晶棒小很多的籽晶引晶,然后以适当速度缓慢移动熔区,使多晶棒经熔融-凝固而长成单晶,见图2。培育金属晶体还常采用如图3所示的布里奇曼(Bridgman)法,模子中的液态金属缓慢进入低温区而结晶成单晶。

在固态下培育单晶

根据形变量较小(相当于某临界值)的多晶材料再结晶退火时,可以获得很大晶粒的原理,发展了形变-再结晶退火固态培育单晶的方法。其要点是把多晶材料制成一定形状(一般为丝状或长的薄片状),给其一定的形变量后,在再结晶温度下进行长时间退火,可以得到单晶。

在气态下培育单晶

许多金属的卤化物在高温下分解出金属蒸气,也可以用蒸发、溅射等方法获得金属或合金的蒸气。如果在金属蒸气中引入籽晶并使其保持一定温度,同时控制蒸气浓度,籽晶可以从蒸气中吸取金属原子而继续长大。如果籽晶呈棒状,且仅沿径向长大,则可得到棒状单晶,称为气相生长单晶;如果籽晶为片状,且仅在片的一个表面生长,称为气相外延生长。由于蒸气来源和衬底籽晶不同,外延方法有多种多样。如果外延层与衬底相同,称为同质外延,否则称为异质外延。如果外延层与衬底物质不同,但晶体结构相同,虽然点阵参数的差别使界面附近存在点阵错配,但仍获得单晶外延层。如果外延层与衬底物质不同,晶体结构也不同,则只能在某些有较好匹配关系的晶面上外延,得不到单晶外延层。

晶须培育

晶须是一种在一定条件下生长的细丝状单晶。金属晶须直径小到1微米时,它的强度比普通大块金属晶体的强度高100倍以上。有自然生长的晶须,但可供研究的晶须多用人工方法培育。常用的有金属蒸气凝聚法和金属卤化物还原法。前一方法通过过饱和金属蒸气在较低温度的凝聚头上凝聚,开始时生长端向前(轴向)生长的速度远大于横向(径向)生长速度,至达到晶须的最后长度,即当径向开始生长时应停止培育。

另一方法是把卤化物装入一小舟中,放在通氢气的炉内,经化学反应,便可从中生长出长度达几厘米、直径由几微米到几十微米的晶须。此外,还有各种沉淀(包括由熔态、溶液、电解槽中及固态中沉淀)的方法。

参考书目
  1. J.J.Gilman ed.,The Art and Science of Growing Crystals,Wiley,London,1963.
  2. B.R.Pamplin, Crystal Growth, Pergamon Press,Oxford,1975.
  3. 张克从、张乐�主编:《晶体生长》,科学出版社,北京,1981。

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文章名称:《晶体培育》
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