晶体生长方法人工合成晶体的主要途径是从溶液中培养和在高温高压下通过同质多像的转变来制备(如用石墨制备金刚石)等
具体方法很多,下面简要介绍几种最常用的方法
(1)水热法 这是一种在高温高压下从过饱和热水溶液中培养晶体的方法
用这种方法可以合成水晶、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、石榴子石及其它多种硅酸盐和钨酸盐等上百种晶体
晶体的培养是在高压釜内进行的
高压釜由耐高温高压和耐酸碱的特种钢材制成
上部为结晶区,悬挂有籽晶;下部为溶解区,放置培养晶体的原料,釜内填装溶剂介质
由于结晶区与溶解区之间有温度差(如培养水晶,结晶区为330-350℃,溶解区为360-380℃)而产生对流,将高温的饱和溶液带至低温的结晶区形成过饱和析出溶质使籽晶生长
温度降低并已析出了部分溶质的溶液又流向下部,溶解培养料,如此循环往复,使籽晶得以连续不断地长大
(2)直拉法 这是一种直接从熔体中拉出单晶的方法
熔体置柑塌中,籽晶固定于可以旋转和升降的提拉杆上
降低提拉杆,将籽晶插入熔体,调节温度使籽晶生长
提升提拉杆,使晶体一面生长,一面被慢慢地拉出来
这是从熔体中生长晶体常用的方法
用此法可以拉出多种晶体,如单晶硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明的红宝石等
(3)焰熔法 这是一种用氢氧火焰熔化粉料并使之结晶的方法
小锤1敲打装有粉料的料筒2,粉料受振动经筛网3而落下,氧经入口4进入将粉料下送,5是氢的入口,氢和氧在喷口6处混合燃烧,粉料经火焰的高温而熔化并落于结晶杆7上,控制杆端的温度,使落于杆端的熔层逐渐结晶
为使晶体生长有一定长度,可使结晶杆逐渐下移
用这种方法成功地合成了如红宝石、蓝宝石、尖晶石、金红石、钛酸锶、钇铝榴石等多种晶体
(4)坩埚下降法用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中,缓慢地下降,并通过一个具有一定温度梯度的加热炉,炉温控制在略高于材料的熔点附近
根据材料的性质加热器件可以选用电阻炉或高频炉
在通过加热区域时,坩埚中的材料被熔融,当坩埚持续下降时,坩埚底部的温度先下降到熔点以下,,并开始结晶,,晶体随坩埚下降而持续长大
这种方法常用于制备碱金属和碱土金属卤化物和氟化物单晶
(5)区熔法区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区,再熔接单晶籽晶
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动,通过整根棒料,生长成一根单晶,晶向与籽晶的相同
(6)泡生法又称之为凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似,先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再以单晶之晶种(SeedCrystal,又称籽晶棒)接触到熔汤表面,在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶,晶种以极缓慢的速度往上拉升,但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈,待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后,晶种便不再拉升,也没有作旋转,仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固,最后凝固成一整个单晶晶碇
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