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第十章 材料化学实验技术;10.1 材料合成与制备 10.1.1人工晶体的生长; 10.1.1.2 溶液法生长晶体;1.降温法
适用于溶解度和温度系数都较大的物质,并需要一定的温度区间。温度上限由于蒸发量大而不宜过高,温度下线太低,对晶体生长也不利。比较适合的起始温度50-60oC,降温区间以15-20oC为宜。
降温法的基本原理是利用物质的正溶解度温度系数,在晶体生长的过程中逐渐降低温度,使析出的溶质不断在晶体上生长,利用降温法时物质的溶解度系数最好不低于1.5g/100g/oC。利用此方法的育晶器必须严格密封,以防溶剂蒸发和外界污染。;2.蒸发法
蒸发法的基本原理是利用将溶剂不断蒸发移去,是溶液保持过饱和状态,从而使晶体不断生长。这种方法比较适合于溶解度大而其温度系数很小或具有负温度系数的物质。
蒸发法的装置和降温法类似,不同的是降温法中育晶器中蒸发的冷凝水全部回流,而蒸发法的冷凝水部分回流。降温法通过降温控制过饱和度,而蒸发法通过控制蒸发量来控制过饱和度。; 10.1.1.3 凝胶法生长晶体;凝胶法的特点:
凝胶法生长晶体获得成功的关键之一是避免过多地形成自发晶核。由于凝胶有有效抑制成核的作用,在一定程度上减少了非均相成核的可能性。存在一些值得注意的特点:
① 凝胶骨架柔软多空,晶体在其中生长,有自由发育的适宜条件;②凝胶属于静止环境,晶体靠扩散生长,没有对流与湍流的影响,晶体生长完整性好;③凝胶育晶器简单,化学试剂用量少而生长晶体的品种较多,使用性广。 ; 10.1.1.4 助熔剂法;助熔剂法的优点:
第一,适用性强,几乎对任何一种材料,只要找到适当的助熔剂或助熔剂组合,就能从中将其单晶生长出来;
第二,降低了生长温度,对那些难熔化合物,在熔点极易挥发、在高温时变价或有相变的材料以及非同成分熔融化合物,助熔剂法表现出独特的能力;
第三,该法设备简单,是一种很简便的生长技术。
缺点:为避免助熔剂的干扰,一般生长速率慢,周期长,晶体小。;助熔剂法的基本技术:
自发结晶法、顶部籽晶法、液相外??法等。
自发结晶法也称为无籽晶缓冷法,是助熔剂生长最简单的方法。将盛料的坩埚置于高温炉内加热到饱和温度以上并保持一定时间,使原料充分反应、均化。保温时间视助熔剂溶解能力和挥发特性而定。接着缓慢降低温度,直到晶体在坩埚壁上成核,再冷却使晶体逐渐长大。
顶部籽晶法实际上是助熔剂和其他方法结合,以克服助熔剂法自发成核、晶核数目较多的缺点。; 10.1.1.5 气相法生长单晶;基本原理: ; 10.1.1.6 熔体中生长单晶; 从熔体中生长晶体有许多方法,如提拉法、坩埚移动法、泡生法、热交换法、冷坩埚法、浮区法等,最广泛用的方法为提拉法。将一粒籽晶与熔体表面接触,熔体的温度维持在略高于熔点之上,当籽晶慢慢地从熔体中拉出时,熔体在籽晶表面凝固,得到与原籽晶结晶学取向相同的棒状晶体。为维持温度的恒定、熔体的均匀性等,提拉时熔体和生长晶体需要往一个方向旋转。
提拉法最突出的优点就是能以较快的速度生长质量较高的晶体。; 熔体生长与溶液生长和助熔剂生长不同之处在于前者晶体生长过程中起主要作用的不是质量输运而是热量输运,结晶的动力学是过冷度而不是过饱和度。
熔体生长的目的是为了的到高质量的单晶体。所以首先应在熔体中形成单晶核,然后在晶核和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列而形成单晶。只有当晶核附近熔体的温度低于凝固点时,晶核才能继续生长。因此界面必须处于过冷状态,且为了避免新的晶核出现及生长界面的不稳定性,过冷区应集中在界面处狭小的范围,而熔体其他部分处于过热状态。;方 法; 10.1.2 气相沉积法; 化学气相沉积一般包括三个过程:①产生挥发物质;②将挥发物质输运到沉积区;③在基体生发生化学反应而生成固态产物。
化学气相沉积时,将所需反应物气体通入反应器内,在基片附近进行反应,为基片提供反应物。
例如把真空蒸发、溅射、离子镀、分子束外延等归为物理气相沉积;而把直接依靠气体反应或依靠等离子体放电增强气体反应称为CVD或PCVD; 10.1.2.1 化学气相沉积法 ——(1)热分解法; 也有一些有机烷氧基的元素化合物如Al(OC3H7)3、Si(OC2H5)4,在高温时不稳定,热分解生成该元素的氧化物,也可利用氢化物和有机烷基化合物的
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