——水溶液中生长晶体
从溶液中生长晶体过程的最关键因素是控制溶液的过饱和度.使溶液达到过饱和状态,在晶体生长过程中维持其过饱和度的途径有:
(1)据溶解度曲线,改变温度。
(2)采取各种方式(如蒸发、电解)移去溶剂,改变溶液成分。
(3)通过化学反应来控制过饱和度.由于化学反应速度和晶体生长速度差别很大,做到这一点是很困难的,需要采取一些特殊的方式,如通过凝胶扩散使反应缓慢进行等。
(4)用亚稳相来控制过饱和度,即利用某些物质的稳定相和亚稳相的溶解度差别,控制一定的温度,使亚稳相不断溶解,稳定相不断生长。
根据晶体的溶解度与温度系数,从溶液和生长晶体的具体方法有下述几种:降温法,流动法(温差法),蒸发法,电解溶剂法等。
——高温溶液法生长晶体
高温溶液法又称为助熔剂法,是生长晶体的一种重要方法,也是最早的炼丹术之一,从古至今已有100多年的历史了,也可算是一种古老的经典方法.60午代以后,助熔剂法己广泛用于新材料的探索,培育小晶体样品.后来,由于生产和科学技术的突飞猛进的发展,不单对材抖的性能,而且对晶体的尺寸都提出了更高的要求.在这种要求推动下,高温溶液法已有了很多突破性发展,得到许多新技术,特别是后来出现的顶部籽品技术,ACRT等技术,生长出了大块优质的YIG,KTP,BBO,KN,BaTiO3等等一系列重要的技术晶体,克服了过去被人们认为助镕剂法不能生长大晶体的所谓缺点,从而使这种方法更加令人注日而倍受青眯.
高温溶液法和其它方法相比具有如下优点:首先是这种方法运用性根强,对某种材料,只要能找到一种适当的助熔剂或助熔剂组合,就能用此法将这种材料的单晶生长出来,而几乎对于所有的材料,都能找到一些相应的助熔剂或助熔剂组合.这对于研究开发工作特别有利;第二是许多难熔化合物和在熔点极易挥发或由于在高温时变价或有相变的材料,以及非同成分熔融化合物,都不可能直接从其熔体中生长或不可能生长出完整的优质单晶,而助熔剂法由于生长温度低,对这些材料的单晶生长却显示出独特的能力.这些材料包括如下几个方面:
(1) 非同成分熔融化合物,也就是在溶化之前会分解的材料.
(2) 那些在生长后的降温过程中会发生固态相交,而这些相变又会导致严重应变或开裂的晶体材料(因而生长应在这相变点以下进行).
(3) 在熔点时,蒸汽压很高的材料.
(4) 由于可挥发组分的损失而会变成非化学计量的材料.
(5) 由于柑涡或炉子的问题而在技术上难于用熔体法生长的难溶材料.
——熔体中生长晶体
通常,当一个结晶固体的温度高于熔点时,固体就熔化为熔体;当熔体的温度低于凝固点时,熔体就凝固成固体(往往是多晶).因此,熔体生长过程只涉及固-液相交过程,这是熔体在受控制的条件下的定向凝固过程.在该过程中,原子(或分子)随机堆积的阵列直接转变为有序阵列,这种从无对称性结构到有对称性结构的转变不是一个整体效应,而是通过固-液界面的移动而逐渐完成的.
熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体,为此,首先要在熔体中形成一个单晶核(引入籽晶,或自发成核),然后,在晶体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体.只有当晶核附近熔体的温度低于凝固点时,晶核才能继续发展.因此,生长着的界面必须处于过冷状态,然而,为了避免出现新的晶核和避免生长界面的不稳定性(这种不稳定性将会导致晶体得的结构无序和化学无序),过冷区必须集中于界面附近狭小的范为围之内,而熔体的其余部分则处于过热状态.在这种情况厂,结晶过程中释放出来的潜热不可能通过熔体而导走,而必须通过生长着的晶体导走.通常,使生长着的晶体处于较冷的环境之中,由晶体的传导和表而辐射导走热量.随着界面向熔体发展,界面附近的过冷度将逐析趋近于零,为了保持一定的过冷度,生长界面必须向着低温方句不断离开凝固点等温面,只有这样,生长过程才能继续进行下去.另一方面,熔体的温度通常远高于室温,为了使熔体保持适当的温度,必须由加热器不断供应热量。
——其它 |