Functionele kristalmaterialen

Voorbereidingsmethode

Smelt methode

De groei van kristallen uit smelt is een van de meest gebruikelijke en belangrijke methoden voor het bereiden van grote enkele kristallen en enkele kristallen met specifieke vormen.

De meeste monokristallijne materialen die nodig zijn in moderne technische toepassingen zoals elektronica en optica worden bereid door middel van smeltgroeimethoden, zoals monokristallijn silicium, GaAs (gallium nitride), LiNbO3 (lithiumniobaat), Nd:YAG (neodymium-gedoteerd ytterbium-aluminium-granaat), Al2O3 (witte edelsteen) en bepaalde aardalkalimetalen en gehalogeneerde verbindingen van aardalkalimetalen, enz.

Vergeleken met andere methoden heeft smeltgroei gewoonlijk de voordelen van snelle groei en hoge zuiverheid en integriteit van kristallen. Het eenvoudige principe van kristalgroei via de smeltmethode is het smelten van de grondstof voor kristalgroei en het laten stollen ervan tot een kristalgroeimiddel eenkristal onder bepaalde omstandigheden. Het smelten van de grondstof en het stollen van de smelt zijn de twee belangrijkste stappen.

De smelt moet onder gecontroleerde omstandigheden op een gerichte manier worden gestold, en het groeiproces wordt bewerkstelligd door de beweging van het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof. Om kristallen in de smelt te laten groeien, moet de temperatuur van het systeem onder de evenwichtstemperatuur liggen. De toestand waarin de systeemtemperatuur onder de evenwichtstemperatuur ligt, wordt onderkoeling.

De absolute waarde van onderkoeling is de mate van onderkoeling, die de omvang van de onderkoeling van het systeem aangeeft. De mate van onderkoeling is de drijvende kracht achter de kristalgroei bij de smeltmethode. Voor een bepaalde kristallijne stof is de belangrijkste factor die de kristalgroeisnelheid bij een bepaalde mate van onderkoeling bepaalt de relatieve grootte van de temperatuurgradiënt tussen het kristal en de smelt.

Oplossingsmethode bij normale temperatuur

De groei van kristallen uit een oplossing heeft de langste geschiedenis en wordt veel gebruikt. Het basisprincipe van deze methode is om de opgeloste grondstof op te lossen in een oplosmiddel en passende maatregelen te nemen om een ​​oververzadigde toestand te veroorzaken de oplossing waarin de kristallen worden gekweekt. De oplossingsmethode heeft de volgende voordelen:

1. Kristallen kunnen worden gekweekt bij temperaturen ver onder hun smeltpunt. Er zijn veel kristallen die ontbinden als ze niet smelten punt of ondergaan ongewenste kristallografische transformaties, en sommige hebben een hoge dampspanning tijdens het smelten. De oplossing zorgt ervoor dat deze kristallen bij een lagere temperatuur kunnen groeien, waardoor de bovengenoemde problemen worden vermeden. tevens de warmtebron en groeivat om kristallen bij lage temperaturen te laten groeien zijn gemakkelijker te kiezen.

2. Verminderde viscositeit. Sommige kristallen zijn in gesmolten toestand zeer stroperig en kunnen geen kristallen vormen en worden glazig wanneer ze worden afgekoeld.

3. het is gemakkelijk om uit te groeien tot grote, uniforme kristallen met een volledige vorm.

4. in de meeste gevallen kan het kristalgroeiproces direct worden waargenomen, wat de studie van de kristalgroeikinetiek vergemakkelijkt. De nadelen van de oplossingsmethode zijn de vele componenten, de complexiteit van de factoren die de kristalgroei beïnvloeden, de langzame groeisnelheid en de lange periode (meestal duurt dit tientallen dagen of zelfs meer dan een jaar).

Bovendien vereist de oplossingsmethode een hoge nauwkeurigheid bij de temperatuurregeling voor kristalgroei. De noodzakelijke voorwaarde voor kristalgroei volgens de oplossingsmethode: de concentratie van de oplossing is daarbij groter dan de evenwichtsconcentratie temperatuur, d.w.z. de mate van oververzadiging. De drijvende kracht is de mate van oververzadiging.

Oplossingsmethode bij hoge temperatuur

De oplossingsmethode bij hoge temperatuur is een belangrijke methode voor het kweken van kristallen en was een van de middelen die in de vroege alchemie werd gebruikt. Door kristallen uit een oplossing of een gesmolten zoutoplosmiddel bij hoge temperaturen te laten groeien, kan de opgeloste fase groeien bij temperaturen ver onder het smeltpunt. Deze methode heeft de volgende voordelen ten opzichte van andere methoden:

1. sterke toepasbaarheid, zolang je de juiste flux of combinatie van fluxen kunt vinden, kun je enkele kristallen laten groeien.

2. Veel vuurvaste verbindingen en het smeltpunt is zeer vluchtig of heeft een hoge temperatuur wanneer de verandering in waarde of faseveranderingsmaterialen, evenals de niet-identieke samenstelling van gesmolten verbindingen, niet direct uit de smelt kan groeien of niet kan groeien een complete hoogwaardige eenkristallen, fluxmethode vanwege de groei bij lage temperatuur, waaruit blijkt dat de fluxmethode een uniek vermogen vertoont vanwege de lage groeitemperatuur.

Nadelen van kristalbereiding volgens de gesmolten zoutmethode:

langzame kristalgroei; niet gemakkelijk waar te nemen; fluxen zijn vaak giftig; kleine kristalgrootte; wederzijdse besmetting door fluxen met meerdere componenten.

Deze methode is geschikt voor de bereiding van de volgende materialen:

(1) materialen met een hoog smeltpunt;

(2) materialen met faseovergang bij lage temperatuur;

(3) componenten met hoge dampspanning in de componenten. Basisprincipe: De oplossingsmethode bij hoge temperatuur is een kristallijn materiaal dat onder hoge temperatuuromstandigheden in een geschikte flux wordt opgelost om een ​​oplossing te vormen, en het basisprincipe is hetzelfde als dat van de oplossingsmethode bij kamertemperatuur. De keuze van de flux en de bepaling van de faserelatie van de oplossing zijn echter een voorwaarde voor de groei van kristallen bij de oplossingsmethode bij hoge temperatuur.

Fysisch-chemische dampfasemethode

De zogenaamde gasfasemethode voor kristalgroei is het omzetten van het te kweken kristalmateriaal in de gasfase door het proces van sublimatie, verdamping en ontleding, en laat het vervolgens verzadigde damp worden geschikte omstandigheden en uitgroeien tot kristal door condensatie en kristallisatie. De kenmerken van kristal groei volgens de gasfasemethode zijn:

1. hoge zuiverheid van de gegroeide kristallen;

2. goede integriteit van de gegroeide kristallen;

3. langzame groeisnelheid van de kristallen;

4. een reeks factoren die moeilijk te controleren zijn, zoals temperatuurgradiënt, oververzadigingsverhouding, stroomsnelheid van het transportgas, enz. Momenteel wordt voornamelijk de gasfasemethode gebruikt voor snorhaargroei en de groei van epitaxiale films (homogene en heterogene epitaxie), terwijl de groei van grote bulkkristallen hebben hun nadelen.

De dampfasemethode kan in twee hoofdtypen worden verdeeld: Fysisch

Vapour Deposition (PVD): de fysieke transformatie van polykristallijne materialen in enkele kristallen coalescentie, zoals sublimatie-condensatie, moleculaire bundelepitaxie en kathodisch sputteren;

Chemical Vapour Deposition (CVD): Transformatie van polykristallijne grondstoffen in eenkristallen via het gas fase door chemische processen, zoals chemische transportmethode, gasontledingsmethode, gassynthesemethode en MOCVD methode.