晶体生长方法.docx

< — 10©D图6.26熟交换法汞意图】•真空炉靑；鉄加热元件；3•渤熔金厲盖; •堆塌和熔蹴；乩*?晶；氣热交换器;7. 鹤管；8 ■真空泵孑9.高温计；热社儁;11.ft 气.1.1.5 热交换法 Heat exchange method （HEM） 该方法的实质是熔体在坩埚内直径凝固它 与坩埚移动法的区别是在这种方法中，坩埚不做 任何方向的移动这是近年来生长大尺寸晶体的 又一发展Schmid最初的生长是在一个梯度单 晶炉内进行，用以生长大尺寸白宝石单晶右图 所示的是这种方法的示意图该梯度炉就是在真 空墨电阻炉的底部装上一个钨铝制成的热交换 器，内有冷却氦气流过把装有原料的坩埚放在 热交换器的顶端，两者中心互相重合，而籽晶置 于坩埚底部的中心处（注意，热交换器与坩埚底 面积之比应有一定的比例），当坩埚内的原料被 加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶并未熔化，当氦气流量逐渐加大 后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大最后使整个坩埚内的熔体全部凝固 整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段在这个过程中晶体生长的去的 驱动力来自固—液界面上的温度梯度。

通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的 目的而晶体的热量可通过氦气的流量带走因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以 建立起所需要的温度梯度这种方法的主要优点如下：1） 晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体 涡流，控制热交换器的温度，是晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流， 可以消除固—液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷2） 刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应 力及由此产生的开裂和位错等缺陷同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶当然热交换法生长晶体的周期较长，例如， Schmid 生长 32cm 直径的白宝石单晶约需一 周左右的时间1.1.6 水平结晶法 Horizontal directional crystallization method（HDC） 其生长原理如右图所示，将原料放入船形坩埚之中，船形坩埚之船头部位主要是放置晶 种，接着使坩埚经过一加热器，邻近加热器之部份原料最先熔化形成熔汤，形成熔汤之原料 便与船头之晶种接触，即开始生长晶体，当坩埚完全经过加热器后，便可得一单晶体。

为了 晶体品质及晶体生张结束后，方便取出晶体，坩埚应采用不沾其熔汤之材料所製，如石英、o o o o o o o氧化镁、氧化铝、氧化铍以及石墨等 加热器可以使用电阻炉，也可使用高 频炉用此方法生长单晶，设备简单 又可得到纯度很高和杂质分布十分 均匀的晶体但此方法所生长的晶体 与坩埚接触，难免有坩埚成分之元素 析出到晶体，且不易制得完整性高的 大直径单晶1.1.7 导模法 Edge-defined Film-fed Growth (EFG) 导模法生长晶体的原理如下图所示将原料置于铱坩埚中，借由高调波感应加热器加热 原料使之熔化，于坩埚中间放置一铱制模具，利用毛细作用让熔汤摊平于铱制模具的上方表 面，形成一薄膜，放下晶种使之碰触到薄膜，于是薄膜在晶种的端面上结晶成与晶种相同结 构的单晶晶种再緩慢往上拉升，逐渐生长单晶同时由坩埚中供应熔汤补充薄膜1.1.8 坩埚下降法 Vertical Gradient Freeze method(VGF) 坩埚下降法是从熔体中生长晶体的一种方法将要结晶的材料放入特定形状的坩埚内， 于结晶炉内加热熔化，然后使坩埚缓慢下降，通过温度梯度较大区域，结晶从坩埚低端开始 逐渐向上推移，进行晶体生长的方法，称之为坩埚下降法或梯度炉法，该方法示意图如图所 示。

下降法的特点如下：1）晶体的形状可以随坩埚的形状而 定，适合异型晶体的生长2）可加籽晶定向生长单晶，也可以自 然成核，依据几何淘汰的原理生长 单晶3） 可采用全封闭或半封闭的坩埚进行生长防止熔体、掺质的挥发，造成组 分偏离和掺杂浓度下降，并且可以有害物 质对周围环境的污染4） 适合大尺寸、多数量晶体的生长一炉可以同时生长几根或几十根不同规格尺寸的晶 体5） 操作工艺比较简单，易于实现程序化，自动化下降法的主要缺点如下：A） 晶体生长全过程都在坩埚内进行，不便于直接观察晶体的生长情况但生长熔点较低 的有机晶体例外，可以采用便于观察的玻璃管炉或玻璃坩埚B） 不同种类的晶体对坩埚材料的物理、化学性能有特定的要求特别是坩埚与结晶材料 的热膨胀系数的匹配要合适，不适于生长晶体时体积膨胀的晶体材料C） 晶体在坩埚内结晶过程中易产生坩埚对晶体的压应力和寄生成核，所以对坩埚的内表 面光洁度有较高的要求D） 坩埚下降法生长晶体时，坩埚在下降过程中一般不旋转，因此生长出来的晶体均匀性 往往不如提拉法生长出来的晶体好。