材料常用制备方法

材料常用制备方法一．晶体生长技术1．熔体生长法【meltgrowthmethod】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶）1.1提拉法特点：a.可以在短时间内生长大而无错位晶体b.生长速度快，单晶质量好c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产1.2坩埚下降法特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液界面不断沿坩埚平移，至熔体全部结晶。1.3区熔法特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶b.随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程，最后形成单晶棒c.有时也会固定加热器而移动原料棒1.4焰熔法特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m）b.适用于制备高熔点的氧化物c.缺点是生长的晶体内应力很大1.5液相外延法优点：a.生长设备比较简单；b.生长速率快；c.外延材料纯度比较高；d.掺杂剂选择范围较广泛；e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；f.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；操作安全。缺点：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。2.溶液生长法【solutiongrowthmethod】(使溶液达到过饱和的状态而结晶)2.1水溶液法原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶2.2水热法【HydrothermalMethod】特点：a.在高压釜中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相对高温高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体b.利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相变引起的物理缺陷2.3高温溶液生长法（熔盐法）特点：a.使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂b.常用溶剂：液态金属液态Ga（溶解As）Pb、Sn或Zn（溶解S、Ge、GaAs）KF（溶解BaTiO3）Na2B4O7（溶解Fe2O3）c.典型温度在1000C左右d.利用这些无机溶剂有效地降低溶质的熔点，能生长其他方法不易制备的高熔点化合物，如钛酸钡BaTiO3二．气相沉积法1.物理气相沉积法(PVD)【PhysicalVaporDeposition】1.1真空蒸镀【EvaporationDeposition】特点：a.真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面；b.常用镀膜技术之一；c.用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜；d.具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜分类：电阻加热法、电子轰击法1.2阴极溅射法（溅镀）【SputteringDeposition】原理：利用高能粒子轰击固体表面（靶材），使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，然后在基片（工件）的表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜。分类：二极直流溅射【BipolarSputtering】高频溅镀【RFSputtering】磁控溅镀【magnetronsputtering】1.3离子镀【ionplating】特点：a.附着力好（溅镀的特点）b.高沉积速率（蒸镀的特点）c.绕射性d.良好的耐磨性、耐磨擦性、耐腐蚀性2.化学气相沉积法（CVD）【ChemicalVaporDeposition】按反应能源：2.1ThermalCVD特点：a.利用热能引发化学反应b.反应温度通常高达800~2000℃c.加热方式电阻加热器高频感应热辐射热板加热器2.2Plasma-EnhancedCVD(PECVD)优点：a.工件的温度较低，可消除应力；b.同时其反应速率较高。缺点：a.无法沉积高纯度的材料；b.反应产生的气体不易脱附；c.等离子体和生长的镀膜相互作用可能会影响生长速率。2.3PhotoCVD特点：a.利用光能使分子中的化学键断裂而发生化学反应，沉积出特定薄膜。b.缺点是沉积速率慢，因而其应用受到限制按气体压力：2.1常压化学气相沉积法（APCVD）【AtmosphericPressureCVD】特点：a.常压下进行沉积b.扩散控制c.沉淀速度快d.易产生微粒e.设备简单2.2低压化学气相沉积法（LPCVD）【LowPressureCVD】特点：a.沉积压力低于100torrb.表面反应控制c.可以沉积出均匀的、步覆盖能力较佳的、质量较好的薄膜d.沉淀速度较慢e.需低压设备三．溶胶-凝胶法【Sol-GelProcess】（通过凝胶前驱体的水解缩合制备金属氧化物材料的湿化学方法）优点：a.易获得分子水平的均匀性；b.容易实现分子水平上的均匀掺杂；c.制备温度较低；d.选择合适的条件可以制备各种新型材料。缺点：a.原料价格比较昂贵；b.通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周。c.凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩四．液相沉淀法【liquid-phaseprecipitation】（在原料溶液中添加适当的沉淀剂，从而形成沉淀物）1.直接沉淀法【Directprecipitation】特点：a.操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。b.洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒径分布较宽，分散性较差2.共沉淀法【Coprecipitation】特点：a.可避免引入对材料性能不利的有害杂质；b.生成的粉末具有较高的化学均匀性，粒度较细，颗粒尺寸分布较窄且具有一定形貌；c.设备简单，便于工业化生产3.均匀沉淀法【Homogeneousprecipitation】特点：a.沉淀剂由化学反应缓慢地生成b.避免沉淀剂浓度不均匀c.可获得粒子均匀、夹带少、纯度高的超细粒子d.沉淀剂：尿素——合成氧化物、碳酸盐硫代乙酰胺——合成硫化物硫代硫酸盐——合成硫化物五．固相反应【Solidphasereaction】分类：按反应物质状态分类:a.纯固相反应b.有气体参与的反应（气固相反应）c.有液相参与的反应（液固相反应）d.有气体和液体参与的三相反应（气液固相反应）按反应机理分类:a.扩散控制过程b.化学反应速度控制过程c.晶核成核速率控制过程d.升华控制过程等等。按反应性质分类:a.氧化反应b.还原反应c.加成反应d.置换反应e.分解反应特点：a.固态直接参与化学反应。b.固态反应一般包括相界面上的反应和物质迁移两个过程，反应物浓度对反应的影响很小，均相反应动力学不适用。c.反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔温度。这一温度与反应物内部开始呈现明显扩散作用的温度相一致，常称为泰曼温度或烧结开始温度。六．插层法和反插层法【Intercalationanddeintercalation】1.插层法（或植入法）——把一些新原子导入晶体材料的空位2.反插层法（或提取法）——有选择性地从晶体材料中移去某些原子特点：a.起始相与产物的三维结构具有高度相似性b.产物相对于起始相其性质往往发生显著变化七．自蔓延高温合成法（SHS）【Self-PropagatingHigh-TemperatureSynthesis】（利用反应物之间的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术）特点：a.生产工艺简单，反应迅速，生产过程时间短；b.最大限度利用材料人工合成中的化学能，节约能源；c.合成反应温度高，可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品；d.合成过程经历了极大的温度梯度，生成物中可能出现缺陷集中和非平衡相,使产品活性高,可获得复杂相和亚稳相；e.集材料合成和烧结于一体，可广泛应用于合成金属、陶瓷和复合材料。八．非晶材料的制备【PreparationofAmorphousmaterials】技术要点：必须形成原子或分子混乱排列的状态；必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。方法：液相骤冷法