3分钟了解晶体生长技术晶体生长

晶体生长（3分钟了解晶体生长技术）
晶体生长技术是利用物质(液态、固态、气态)的物理化学性质控制相变过程，获得具有一定结构、尺寸、形状和性能的晶体的技术。
(a) 天然的刚玉，经过熔融和人工晶体生长可以得到。(b)人工晶体生长获得的红宝石。人工晶体生长的奇妙之处可见一斑，堪称“点石成玉”的技术。
人们从事晶体生长的历史可以追溯到公元前2700年前后。那个时期，我们的祖先已掌握了从海水中获取食盐晶体的方法。在我国明代的著作《天工开物》中记载有“天生曰卤，人生曰盐” 。此处的“人生”即为现在所说的人工晶体生长。我国古代的炼丹术中关于“丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂”的记载，其后一句即是由S和Hg合成HgS晶体的过程。然而，在漫长的历史中，晶体生长一直只是一种凭经验传授的技艺。

文章插图

直到20世纪初，现代科学技术的原理不断地被用于晶体生长过程的控制，晶体生长开始了从技艺向科学的进化。特别是20世纪50年代以来，以单晶硅为代表的半导体材料的发展推动了晶体生长理论研究和技术的发展。
晶体生长方法
近年来，多种化合物半导体等电子材料、光电子材料、非线性光学材料、超导材料、铁电材料、金属单晶材料的发展，引出一系列理论问题，并对晶体生长技术提出了越来越复杂的要求，晶体生长原理和技术的研究显得日益重要，成为现代科学技术的重要分支。
目前，晶体生长已逐渐形成了一系列的科学理论，并被用于晶体生长过程的控制。但这一理论体系尚未完善，仍有大量的内容依赖于经验。因此，人们通常认为人工晶体生长是技艺和科学的结合。
制备完整晶体需要具备以下条件：
（1）反应体系的温度要控制得均匀一致，以防止局部过冷或过热，影响晶体的成核和生长；
（2）结晶过程要尽可能地慢，以防止自发成核的出现，因为一旦出现自发的晶核，就会生成许多细小品体，阻碍晶体长大；
（3）使降温速度与晶体成核、生长速度相配匹，使晶体生长得均匀、晶体中没有浓度梯度、组成不偏离化学整比性。
晶体生长方法可以根据其母相的类型归纳为4大类，即熔体生长、溶液生长、气相生长和固相生长。随着控制条件的变化，这4类晶体生长方法已演变出数十种晶体生长技术。
1熔体生长
是指使原料在高温下完全熔融，然后采用不同技术手段，在一定条件下制备出满足一定技术要求的单晶体材料。熔体必须在受控的条件下实现定向凝固，生长过程是通过固-液界面的移动来完成的。熔体法生长是制备大单晶和特定形状单晶最常用的和最重要的一种方法，具有生长快、晶体的纯度和完整性高等优点。
包括有提拉法、坩锅下降法、区熔法、基座法、冷坩锅法与焰熔法等。

文章插图

2溶液生长
溶液法的基本原理是将原料（溶质）溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。包括水溶液法、水热法与助溶剂法等。水溶液法一般是在常压和较低温度（100℃以下）下进行。
溶液法有以下优点：
（1）降低粘度。有些晶体在熔化状态时粘度很大，冷却时不能形成晶体而成为玻璃体，溶液法采用低粘度的溶剂则可避免这一问题。
（2）容易长成大块的、均匀性良好的晶体，并且有较完整的外形。
（3）在多数情况下，可直接观察晶体生长过程，便于对晶体生长动力学的研究。
溶液法的缺点是组分多，影响晶体生长因素比较复杂，生长速度慢，周期长(一般需要数十天乃至一年以上) 。另外，溶液法生长晶体对控温精度要求较高。
3气相生长
气相法生长就是将拟生长的晶体材料通过升华、蒸发、溅射或分解等过程转化为气相，然后通过适当条件使之沉积而实现物质从源物质到固态薄膜的可控的原子转移。薄膜可以是单晶态，也可以是非晶态。
目前，气相法主要用于晶须、板状晶体和外延薄膜的生长（同质外延和异质外延），而生长大尺寸的块状晶体有其不利之处。
沉积速率与衬底温度是影响薄膜沉积过程和薄膜组织的两个最重要的因素。要想得到理想的单晶结构的薄膜，一个必要的条件往往是需要适当地提高沉积温度，并降低沉积速率。低温沉积和高速沉积往往导致多晶态的沉积组织生成。
气相法晶体生长有以下特点：
1）生长的晶体纯度高；
2）生长的晶体完整性好；
3）晶体生长速度慢；
4）有一系列难以控制的因素，如温度梯度、过饱和比、携带气体的流速等。
4固相生长
从固相中生长晶体的主要优点在于：
1）可以在不添加组分的情况下较低温进行生长，即在熔点以下的温度生长；
2）生长晶体的形状是事先固定的，所以丝、箔等形状的晶体容易生长出来；
3）取向常常容易得到控制；
4）除脱溶以外的固相生长中，杂质和其他添加组分的分布在生长前被固定下来，并且不被生长过程所改变（除稍微被相当慢的扩散所改变外）。
从固相中生长晶体的方法主要有五种：
（1）利用退火消除应变的再结晶；
（2）利用烧结生长；
（3）利用多形性转变生长；
（4）利用退玻璃化再结晶；
（5）利用固态沉淀再结晶（有时称作脱溶生长，此法尚未用于单晶生长）。

文章插图

晶体生长方法的分类
总的来说，如果把晶体生长全过程进行分解的话，它至少应该包括以下几个基本过程：溶质的溶解、晶体生长基元的形成、晶体生长基元在生长介质中的输运、晶体生长基元在晶体表面上的运动与结合以及晶体生长界面的推移，从而实现晶体生长。因此，从宏观角度看，晶体生长过程是晶体—环境相(蒸气、溶液、熔体)界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变。从微观角度来看，晶体生长过程可以看作一个“基元”过程，所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元。从广义上说，“基元”可以是原子、分子、也可以是具有一定几何构型的原子(分子)聚集体。
【3分钟了解晶体生长技术晶体生长】