Chapter5-Preparation-of-Materials1

材料的制备Chapter5PreparationofMaterials1Chapter5PreparationofMaterials主要内容•5.1晶体生长技术•5.2气相沉积法•5.3溶胶-凝胶法•5.4液相沉淀法•5.5固相反应•5.6插层法和反插层法•5.7自蔓延高温合成法•5.8非晶材料的制备2材料制备化学合成工艺技术Chapter5PreparationofMaterials学习目的•学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相关工艺过程。•了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。33Chapter5PreparationofMaterials5.1晶体生长技术•熔体生长法•溶液生长法4Chapter5PreparationofMaterials5.1.1熔体生长法5——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•提拉法•坩埚下降法•区熔法•焰熔法•液相外延法Chapter5PreparationofMaterials5.1.1.1提拉法•可以在短时间内生长大而无错位晶体•生长速度快，单晶质量好•适合于大尺寸完美晶体的批量生产6提拉法单晶生长Chapter5PreparationofMaterials•控制晶体品质的主要因素：–固液界面的温度梯度–生长速率–晶转速率–熔体的流体效应。74-inch的LiNbO3单晶Chapter5PreparationofMaterials自动提拉技术1.供料器feeder2.晶体生长室growthchamber3.坩埚crucible4.底加热器bottomheater5.气阀gasvalve6.熔面调校器melt-levelregulator7.探头probe8.电脑9.温度校正单元temperature-correctionblock8Crystal-500晶体生长炉Chapter5PreparationofMaterials9开始阶段径向生长阶段垂直生长阶段晶体生长过程Chapter5PreparationofMaterials10Crystal-500晶体生长炉得到的晶体Chapter5PreparationofMaterials•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。115.1.1.2坩埚下降法Chapter5PreparationofMaterials12坩埚下降法晶体生长示意图Chapter5PreparationofMaterials13坩埚下降法采用冷却棒的结晶炉示意图和理想的温度分布Chapter5PreparationofMaterials5.1.1.3区熔法•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。•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。•有时也会固定加热器而移动原料棒。14Chapter5PreparationofMaterials15区熔法水平区熔法示意图Chapter5PreparationofMaterials包含化合物生成的区熔法16CdTe单晶的合成InP单晶的合成Chapter5PreparationofMaterials17100mm直径的InP单晶及晶片长200mm、直径75mm的未掺杂GaAs单晶及晶片Chapter5PreparationofMaterials18料锤1周期性地敲打装在料斗3里的粉末原料2，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置6处，由入口4和入口5进入的氢氧气形成氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶7上，发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长。能生长出很大的晶体（长达1m）适用于制备高熔点的氧化物缺点是生长的晶体内应力很大焰熔法生长宝石5.1.1.4焰熔法Chapter5PreparationofMaterials19焰熔法生长金红石金红石晶体焰熔法Chapter5PreparationofMaterials5.1.1.5液相外延法20•料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶衬底时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长为单晶薄膜。•在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延不同成分的单晶薄膜。Chapter5PreparationofMaterials21液相外延法液相外延系统示意图Chapter5PreparationofMaterials液相外延法优点：•生长设备比较简单；•生长速率快；•外延材料纯度比较高；•掺杂剂选择范围较广泛；•外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；•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：•当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；•由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；•外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。22Chapter5PreparationofMaterials5.1.2溶液生长法•主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。•过饱和途径：–利用晶体的溶解度随改变温度的特性，升高或降低温度而达到过饱和；–采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。•介质：–水、熔盐（制备无机晶体）–丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）23Chapter5PreparationofMaterials5.1.2.1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。•制备单晶的关键：–消除溶液中的微晶；–精确控制温度。24Chapter5PreparationofMaterials25水溶液法制备的KH2PO3晶体（历时一年）生长容器Chapter5PreparationofMaterials5.1.2.2水热法HydrothermalMethod•水热法——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26Chapter5PreparationofMaterials27Classification水热法种类水热氧化法水热沉淀法水热合成法水热分解水热晶化法Chapter5PreparationofMaterials28Application(1)MonocrystalGrowthApplicationofHydrothermalMethodMonocrystalGrowth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Chapter5PreparationofMaterials29水热法生长的单晶水热法生长单晶装置Chapter5PreparationofMaterials30杜邦用来生长KTP晶体的装置KTP单晶Chapter5PreparationofMaterials31(2)Powderpreparation粉体晶粒发育完整；粒径很小且分布均匀；团聚程度很轻；易得到合适的化学计量物和晶粒形态；可以使用较便宜的原料；省去了高温锻烧和球磨，从而避免了杂质和结构缺陷等。PowderPreparationChapter5PreparationofMaterials32(3)FilmPreparationFilmPreparation可以在很低的温度下制取结晶完好的钙钛矿型化合物薄膜或厚膜，如BaTiO3、SrTiO3、BaFeO3等Chapter5PreparationofMaterials5.1.2.3高温溶液生长法（熔盐法）•使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂•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）•典型温度在1000C左右•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BaTiO333Chapter5PreparationofMaterials34不发生化学反应物理气相沉积法PVD化学气相沉积法CVD发生气相化学反应5.2气相沉积法Chapter5PreparationofMaterials5.2.1物理气相沉积法(PVD)PhysicalVaporDeposition35Chapter5PreparationofMaterials36阴极溅射法离子镀法电子轰击法电阻加热法二极直流溅射高频溅射磁控溅射反应溅射PVD法PVD法的分类真空蒸镀Chapter5PreparationofMaterials37PVDforpreparingfilmmaterials5.2.1.1真空蒸镀EvaporationDepostion•真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面；•常用镀膜技术之一；•用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜；•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。Chapter5PreparationofMaterials38(1)Evaporationdepostion电阻加热法Chapter5PreparationofMaterials39电子轰击法电子轰击法Chapter5PreparationofMaterials40阳极材料轰击法阳极材料轰击法薄膜材料为棒状或线状薄膜材料为块状或粉末状Chapter5PreparationofMaterials