Metoda růstu taveniny
Tento typ metody je nejběžněji používaný, zejména zahrnuje Czochralského metodu (také známou jako Chukraskiho metoda), kelímkovou sestupnou metodu, metodu zónového tavení, zákon tavení plamenem (také známou jako metoda Werner Ye) a tak dále.
Czochralského metoda
Tato metoda je jednou z nejdůležitějších metod pro pěstování monokrystalů z tavenin a je vhodná pro hromadnou výrobu dokonalých krystalů ve velkém měřítku. Vyhřívaný kelímek obsahuje roztavený materiál a zárodečná tyč nese zárodečný krystal do taveniny shora dolů. Protože tavenina v blízkosti rozhraní pevná látka-kapalina udržuje určitý stupeň podchlazení, tavenina krystalizuje podél zárodečného krystalu a následuje Zárodečný krystal postupně stoupá a roste do tyčinkovitého monokrystalu. Kelímek může být zahříván vysokofrekvenční indukcí nebo odporem. Touto metodou se pěstují polovodičové germanium, křemík, monokrystaly oxidu, jako je yttrium-hliníkový granát, gadolinium-galliový granát, lithium niobát atd. Hlavními faktory, které řídí kvalitu krystalů při aplikaci této metody, jsou teplotní gradient rozhraní pevná látka-kapalina, rychlost růstu, rychlost transformace krystalů a tekutý účinek taveniny.
Sestupná metoda kelímku
Vložte kelímek plný materiálů do vertikální pece. Pec je rozdělena na dvě části, oddělené přepážkou. Materiál v kelímku je udržován v roztaveném stavu a teplota ve spodní části je nižší. Při pomalém spouštění kelímku v peci shora do spodní části pece začne tavenina materiálu krystalizovat. Tvar dna kelímku je většinou zkosený nebo s úzkým hrdlem pro usnadnění výběru zárodečných krystalů a existují také polokulovité tvary pro usnadnění růstu zárodečných krystalů. Tvar krystalu je v souladu s tvarem kelímku a tímto způsobem se pěstují velké optické krystaly, jako jsou alkalické halogenové sloučeniny a fluoridy.
Metoda zónového tavení
Tyč z polykrystalického materiálu prochází úzkou zónou vysoké teploty, aby se vytvořila úzká zóna tavení, a tyč materiálu nebo topné těleso se pohybují tak, aby se zóna tavení pohybovala a krystalizovala, a nakonec tyč materiálu tvoří tyč monokrystalu. Tato metoda může zlepšit čistotu monokrystalického materiálu během procesu krystalizace a může také velmi rovnoměrně dopovat dopující látku. Existují dva typy technologie zónového tavení: horizontální metoda a plovoucí zónové tavení založené na povrchovém napětí.
Metoda tavení plamenem
Principem této metody je použití plamene spalování vodíku a kyslíku k vytvoření vysoké teploty, takže materiálový prášek je rozptýlen plamenem a roztaven a dopadá na krystalizační tyčinku nebo hlavu zárodečného krystalu. Protože plamen vytváří v peci určitý teplotní gradient, může prášková tavenina při dopadu na krystalizační tyč krystalizovat. Princip růstu metody tavení plamenem: malé kladivo naráží na hlaveň, aby rozvibrovalo prášek, a prášek propadá sítem a násypkou. Kyslík a vodík jsou příslušně smíchány a spalovány na trysce přes vstup. Zárodečný krystal je vložen na horní konec krystalizační tyče a klesá skrz krystalizační tyč. Padající prášková tavenina může udržovat stejně vysokou teplotu a krystalizovat.
Tato metoda je nejvyspělejší metodou pro pěstování korundu a rubínů a produkuje mnoho tun ročně po celém světě. Výhodou této metody je, že se nepoužívá žádný kelímek, takže materiál není kontaminován nádobou a lze pěstovat krystaly s bodem tání až 2500 ℃; nevýhodou je, že vnitřní pnutí vyrostlého krystalu je velmi velké.
Metoda růstu řešení
Tuto metodu lze stanovit podle rozpouštědla. Široký rozsah růstu roztoku zahrnuje vodné roztoky, organické a jiné anorganické roztoky, roztavené soli a roztoky za hydrotermálních podmínek. Nejběžnější je pěstování krystalů z vodných roztoků. Hlavním principem pěstování krystalů z roztoku je přimět roztok dosáhnout přesyceného stavu a krystalizovat. Nejběžnější metody jsou následující: ① Zvyšte nebo snižte teplotu podle charakteristik křivky rozpustnosti roztoku; ② Použijte odpařování a další metody k odstranění rozpouštědla, abyste zvýšili koncentraci roztoku. Samozřejmě existují i jiné způsoby, jako je využití rozdílu v rozpustnosti mezi stabilní fází a metastabilní fází určitých látek, řízení určité teploty, takže metastabilní fáze se kontinuálně rozpouští a stabilní fáze kontinuálně roste.
Metoda vodného roztoku
Obecně je pro růst krystalů z vodného roztoku vyžadováno zařízení pro růst krystalů ve vodní lázni, které obsahuje tyč pro přidržování krystalů, která může zajistit utěsnění a rotaci, takže složení roztoku kolem rozhraní krystalů může být. Pro udržení jednotnosti existuje roztok v krystalovém inkubátoru, který je přísně kontrolován teplotou vody ve vodní lázni, aby se dosáhlo krystalizace. Je velmi nutné zvládnout vhodnou rychlost ochlazování, aby se roztok dostal do metastabilního stavu a udrželo se odpovídající přesycení.
For materials with a negative temperature coefficient or a small solubility temperature coefficient, the solution can be kept at a constant temperature, and the solvent can be continuously removed from the crystal incubator to make the crystal grow. This method is used to crystallize It is called the evaporation method. Many functional crystals, such as potassium dihydrogen phosphate, β lithium iodate, etc., are grown by the aqueous solution method.
Hydrotermální metoda
Při vysoké teplotě a vysokém tlaku se materiál rozpouští různými alkalickými nebo kyselými vodnými roztoky, aby se dosáhlo přesycení a poté krystalizoval. Způsob růstu krystalů se nazývá hydrotermální růst. . Tato metoda se používá hlavně k syntéze krystalů. Touto metodou lze generovat další krystaly, jako je korund, kalcit, modrý azbest a mnoho monokrystalů oxidu. Klíčovým zařízením pro hydrotermální růst je autokláv, který je vyroben z oceli odolné vůči vysokým teplotám a vysokému tlaku. K udržení hydrotermálního růstu při vysoké teplotě 200-1000 °C a vysokém tlaku 1000-10000 atmosfér používá samoutahovací nebo nesamo-utahovací těsnící strukturu. Suroviny potřebné pro kultivaci krystalů jsou umístěny ve spodní části autoklávu při vyšší teplotě, zatímco zárodečné krystaly jsou zavěšeny na horní části při nižší teplotě. Protože autokláv obsahuje určitý stupeň plnosti roztoku a kvůli teplotnímu rozdílu mezi horní a spodní částí roztoku, nasycený roztok ve spodní části je přiveden do horní části konvekcí a poté přesycen a krystalizován na zárodečném krystalu kvůli nízké teplotě. Roztok vysráženého solutu proudí do zóny s nižší vysokou teplotou, aby rozpustil kultivační materiál. Hydrotermální syntéza spočívá v růstu krystalů prostřednictvím takových cyklů.
Metoda toku
Tato metoda se týká rozpouštění krystalických surovin v solném rozpouštědle, které se může roztavit při nižší teplotě při vysoké teplotě za vzniku jednotného nasyceného roztoku, takže se také nazývá metoda roztavené soli. Pomalým chlazením nebo jinými metodami se vytvoří přesycený roztok a vysrážejí se krystaly. Je to podobné jako u obecných krystalů pro růst roztoku. U mnoha oxidů s vysokým bodem tání nebo materiálů s vysokým tlakem par lze tuto metodu použít k růstu krystalů. Výhodou této metody je, že teplota potřebná pro růst je nižší. Kromě toho lze tuto metodu použít k růstu krystalů pro některé materiály, které mají neidentické tání (peritektickou reakci) nebo fázovou změnu při ochlazení z vysoké teploty. Úspěšný růst krystalu BaTiO3 a krystalu Y3Fe5O12 jsou reprezentativní příklady této metody. Při použití této metody je třeba věnovat pozornost fázové rovnováze mezi rozpuštěnou látkou a tokem.
Metoda růstu páry
Obecně lze k růstu krystalů použít sublimaci, chemický transport par a další procesy.
Sublimační metoda
To znamená, že pevná látka se stává plynnou fází ihned po zvýšení teploty a plynná fáze dosahuje nízkoteplotní zóny a přímo kondenzuje do krystalů. Celý proces neprochází metodou růstu tekutých krystalů . Některé prvky jako arsen, fosfor a sloučeniny jako ZnS a CdS lze získat sublimační metodou.
Transport chemických par
Tato technika pěstování krystalů znamená, že pevné materiály generují těkavé sloučeniny prostřednictvím chemické reakce transportního činidla:
Pevná látka + transportní činidlo je těkavá sloučenina
Pokud se vyrobená sloučenina použije jako materiálový zdroj, prostřednictvím reverzibilního procesu těkání a depozice a kontroly může krystal růst v určité oblasti nebo na substrátu. Tato technologie se nazývá chemický transport par. Typický proces čištění niklu je proces chemického transportu.
Epitaxe
Také známý jako epitaxní růst, odkazuje na růst jediné krystalické tenké vrstvy na jediném plátku. Tato tenká vrstva musí být strukturálně podobná původnímu krystalu (nazývanému substrát), aby odpovídala. Epitaxe lze rozdělit na homogenní epitaxi a heterogenní epitaxi. Epitaxe vrstvy křemíku na křemíkové desce jako polovodičový materiál je homoepitaxní; pokud je křemík epitaxní na bílém safírovém substrátu, je heteroepitaxní.
Metody epitaxního růstu zahrnují hlavně epitaxi v plynné fázi a epitaxi v kapalné fázi, stejně jako epitaxi molekulárního svazku. Epitaxní růst je široce používán při vývoji polovodičových materiálů a vývoj materiálů s magnetickými bublinami také aplikoval epitaxní metody.
Epitaxní materiály v parní fázi jsou naneseny na monokrystalický substrát v parní fázi. Tento způsob pěstování monokrystalického filmu se nazývá epitaxe v plynné fázi. Epitaxe v parní fázi má dvě metody: otevřenou trubici a uzavřenou trubici. Epitaxe křemíku a epitaxe arsenidu galia jsou většinou epitaxe s otevřenou trubicí.
Epitaxe v kapalné fázi rozpouští materiál použitý pro epitaxi v roztoku, aby se nasytil, poté namočí monokrystalický substrát do roztoku a poté způsobí přesycení roztoku, což způsobí, že materiál pokračuje na krystaly vysrážené na substrátu. Ovládejte tloušťku krystalické vrstvy, abyste získali nový tenký film monokrystalu. Takový proces se nazývá epitaxe v kapalné fázi. Výhodou této metody je jednoduchá obsluha, nižší teplota růstu a vyšší rychlost, ale je obtížné řídit gradient koncentrace nečistot během procesu růstu. Epitaxní vrstva polovodičového materiálu galium arsenid, růst magnetického bublinkového materiálu granátového filmu, většinou používají tuto metodu.