Metodo di crescita per fusione
Questo tipo di metodo è il più comunemente usato, includendo principalmente il metodo Czochralski (noto anche come metodo Chukraski), il metodo discendente del crogiolo, il metodo di fusione a zona, la legge di fusione alla fiamma (nota anche come metodo Werner Ye) e così via.
Metodo Czochralski
Questo metodo è uno dei metodi più importanti per la crescita di cristalli singoli da fusioni ed è adatto per la produzione in serie di cristalli perfetti su larga scala. Il crogiolo riscaldato contiene il materiale fuso e l'asta del seme trasporta il cristallo del seme nella massa fusa dall'alto verso il basso. Poiché la massa fusa vicino all'interfaccia solido-liquido mantiene un certo grado di sottoraffreddamento, la massa fusa cristallizza lungo il cristallo seme e segue. Il cristallo seme sale gradualmente e cresce in un monocristallo a forma di bastoncino. Il crogiolo può essere riscaldato mediante induzione o resistenza ad alta frequenza. Germanio semiconduttore, silicio, cristalli singoli di ossido come granato di ittrio alluminio, granato di gadolinio gallio, niobato di litio, ecc. Sono tutti coltivati con questo metodo. I principali fattori che controllano la qualità dei cristalli quando si applica questo metodo sono il gradiente di temperatura dell'interfaccia solido-liquido, il tasso di crescita, il tasso di trasformazione del cristallo e l'effetto fluido della fusione.
Metodo discendente del crogiolo
Posizionare il crogiolo pieno di materiali in un forno verticale. Il forno è diviso in due parti, separate da un setto. Il materiale nel crogiolo è mantenuto allo stato fuso e la temperatura nella parte inferiore è inferiore. Quando il crogiolo viene abbassato lentamente nel forno dall'alto verso il basso del forno, il materiale fuso inizia a cristallizzare. La forma del fondo del crogiolo è per lo più affusolata o con un collo stretto per facilitare la selezione dei cristalli di seme, e ci sono anche forme emisferiche per facilitare la crescita dei cristalli di seme. La forma del cristallo è coerente con la forma del crogiolo e in questo modo vengono coltivati grandi cristalli ottici come composti alogenati alcalini e fluoruri.
Metodo di fusione a zone
Un'asta di materiale policristallino viene fatta passare attraverso una stretta zona ad alta temperatura per formare una stretta zona di fusione, e l'asta di materiale o corpo riscaldante viene spostata per far muovere e cristallizzare la zona di fusione, e infine l'asta di materiale forma un'unica asta di cristallo. Questo metodo può migliorare la purezza del materiale a cristallo singolo durante il processo di cristallizzazione e può anche rendere il drogante drogato in modo molto uniforme. Esistono due tipi di tecnologia di fusione a zona: metodo orizzontale e fusione a zona flottante basata sulla tensione superficiale.
Metodo di fusione alla fiamma
Il principio di questo metodo consiste nell'utilizzare la fiamma della combustione di idrogeno e ossigeno per generare alte temperature, in modo che la polvere del materiale venga dispersa attraverso la fiamma e fusa e cada su un'asta di cristallizzazione o su una testa di cristallo seme. Poiché la fiamma forma un certo gradiente di temperatura nel forno, la polvere fusa può essere cristallizzata quando cade su un'asta di cristallizzazione. Il principio di crescita del metodo di fusione alla fiamma: il piccolo martello colpisce la canna per far vibrare la polvere e la polvere cade attraverso lo schermo e la tramoggia. L'ossigeno e l'idrogeno vengono rispettivamente miscelati e bruciati all'ugello attraverso l'ingresso. Il seme di cristallo è inserito all'estremità superiore dell'asta di cristallizzazione e scende attraverso l'asta di cristallizzazione. La fusione della polvere che cade può mantenere lo stesso livello di temperatura elevata e cristallizzare.
Questo metodo è il metodo più maturo per coltivare corindone e rubini e produce molte tonnellate ogni anno in tutto il mondo. Il vantaggio di questo metodo è che non viene utilizzato alcun crogiolo, quindi il materiale non viene contaminato dal contenitore e si possono coltivare cristalli con un punto di fusione fino a 2500 ℃; lo svantaggio è che lo stress interno del cristallo cresciuto è molto grande.
Metodo di crescita della soluzione
Questo metodo può essere determinato in base al solvente. Un'ampia gamma di crescita della soluzione comprende soluzioni acquose, soluzioni organiche e altre soluzioni inorganiche, sali fusi e soluzioni in condizioni idrotermali. Il più comune è far crescere i cristalli da soluzioni acquose. Il principio principale della crescita dei cristalli da una soluzione è far sì che la soluzione raggiunga uno stato sovrasaturato e si cristallizzi. I metodi più comuni sono i seguenti: ① Aumentare o diminuire la temperatura in base alle caratteristiche della curva di solubilità della soluzione; ② Utilizzare l'evaporazione e altri metodi per rimuovere il solvente per aumentare la concentrazione della soluzione. Naturalmente, ci sono anche altri modi, come utilizzare la differenza di solubilità tra la fase stabile e la fase metastabile di certe sostanze, controllando una certa temperatura, in modo che la fase metastabile si dissolva continuamente e la fase stabile cresca continuamente.
Metodo della soluzione acquosa
Generalmente, per far crescere i cristalli da una soluzione acquosa è necessario un dispositivo di crescita dei cristalli a bagno d'acqua, che include un'asta di contenimento dei cristalli che può garantire la tenuta e la rotazione in modo che la composizione della soluzione attorno all'interfaccia del cristallo possa essere Per mantenere l'uniformità, esiste un soluzione nell'incubatore di cristallo, che è rigorosamente controllato dalla temperatura dell'acqua nel bagnomaria per ottenere la cristallizzazione. È molto necessario padroneggiare la velocità di raffreddamento appropriata per rendere la soluzione in uno stato metastabile e mantenere la sovrasaturazione appropriata.
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.
Metodo idrotermale
Ad alta temperatura e alta pressione, il materiale viene dissolto da varie soluzioni acquose alcaline o acide per raggiungere la sovrasaturazione e quindi cristallizzare. Il metodo di crescita dei cristalli è chiamato crescita idrotermale. . Questo metodo è utilizzato principalmente per sintetizzare i cristalli. Altri cristalli come corindone, calcite, amianto blu e molti cristalli singoli di ossido possono essere generati con questo metodo. L'attrezzatura chiave per la crescita idrotermale è l'autoclave, realizzata in acciaio resistente alle alte temperature e alle alte pressioni. Utilizza una struttura di tenuta autoserrante o non autoserrante per mantenere la crescita idrotermale ad un'alta temperatura di 200-1000°C e ad un'alta pressione di 1000-10000 atmosfere. Le materie prime necessarie alla coltivazione dei cristalli vengono poste nella parte inferiore dell'autoclave a temperatura più alta, mentre i semi cristalli vengono appesi nella parte superiore a temperatura più bassa. Poiché l'autoclave contiene un certo grado di pienezza della soluzione, e a causa della differenza di temperatura tra la parte superiore e quella inferiore della soluzione, la soluzione satura nella parte inferiore viene portata nella parte superiore per convezione, quindi sovrasatura e cristallizzata sul cristallo del seme a causa della bassa temperatura. La soluzione del soluto precipitato fluisce verso la zona inferiore ad alta temperatura per dissolvere il materiale di coltura. La sintesi idrotermale consiste nel far crescere i cristalli attraverso tali cicli.
Metodo di flusso
Questo metodo si riferisce alla dissoluzione delle materie prime cristalline in un solvente salino che può sciogliersi a una temperatura inferiore a una temperatura elevata per formare una soluzione satura uniforme, quindi è anche chiamato metodo del sale fuso. Mediante raffreddamento lento o altri metodi, si forma una soluzione sovrasatura e i cristalli vengono precipitati. È simile ai cristalli di crescita della soluzione generale. Per molti ossidi ad alto punto di fusione o materiali con elevata tensione di vapore, questo metodo può essere utilizzato per far crescere i cristalli. Il vantaggio di questo metodo è che la temperatura richiesta per la crescita è inferiore. Inoltre, questo metodo può essere utilizzato per far crescere cristalli per alcuni materiali che hanno una fusione non identica (reazione peritettica) o un cambiamento di fase quando vengono raffreddati dall'alta temperatura. La riuscita crescita del cristallo BaTiO3 e del cristallo Y3Fe5O12 sono esempi rappresentativi di questo metodo. Quando si utilizza questo metodo, è necessario prestare attenzione all'equilibrio di fase tra il soluto e il flusso.
Metodo di crescita del vapore
In generale, la sublimazione, il trasporto di vapore chimico e altri processi possono essere utilizzati per far crescere i cristalli.
Metodo di sublimazione
Ciò significa che il solido diventa la fase gassosa subito dopo che la temperatura è aumentata e la fase gassosa raggiunge la zona a bassa temperatura e si condensa direttamente in cristalli. L'intero processo non passa attraverso il metodo di crescita dei cristalli liquidi. Alcuni elementi come l'arsenico, il fosforo e composti come ZnS e CdS possono essere ottenuti con il metodo della sublimazione.
Trasporto di vapori chimici
Questa tecnica di crescita dei cristalli significa che i materiali solidi generano composti volatili attraverso la reazione chimica dell'agente di trasporto:
Il solido + agente di trasporto è un composto volatile
Se il composto prodotto viene utilizzato come fonte materiale, attraverso il processo reversibile di volatilizzazione e deposizione, e controllo, il cristallo può crescere in una certa area o sul substrato uscire. Questa tecnologia è chiamata trasporto di vapore chimico. Il tipico processo di purificazione del nichel è il processo di trasporto chimico.
Epitassia
Conosciuta anche come crescita epitassiale, si riferisce alla crescita di un singolo strato sottile di cristallo su un singolo wafer. Questo strato sottile deve essere strutturalmente simile al cristallo originale (chiamato substrato) per corrispondere. L'epitassia può essere suddivisa in epitassia omogenea ed epitassia eterogenea. L'epitassia di uno strato di silicio su un wafer di silicio come un materiale semiconduttore è omoepitassiale; se il silicio è epitassiale su un substrato di zaffiro bianco, è eteroepitassiale.
I metodi di crescita epitassiale includono principalmente l'epitassia in fase vapore e l'epitassia in fase liquida, nonché l'epitassia a fascio molecolare. La crescita epitassiale è ampiamente utilizzata nello sviluppo di materiali semiconduttori e anche lo sviluppo di materiali a bolle magnetiche ha applicato metodi epitassiali.
I materiali epitassici in fase vapore vengono depositati su un substrato a cristallo singolo in fase vapore. Questo metodo di crescita di un singolo film cristallino è chiamato epitassia in fase vapore. L'epitassia in fase vapore ha due metodi: tubo aperto e tubo chiuso. L'epitassia del silicio e l'epitassia dell'arseniuro di gallio sono per lo più epitassia a tubo aperto.
L'epitassia in fase liquida dissolve il materiale utilizzato per l'epitassia in una soluzione per renderlo saturo, quindi immerge il substrato monocristallino nella soluzione e quindi rende la soluzione supersaturata, il che fa sì che il materiale continui a precipitare cristalli sul substrato. Controllare lo spessore dello strato cristallino per ottenere un nuovo film sottile monocristallino. Tale processo è chiamato epitassia in fase liquida. I vantaggi di questo metodo sono un funzionamento semplice, una temperatura di crescita inferiore e una velocità maggiore, ma è difficile controllare il gradiente di concentrazione delle impurità durante il processo di crescita. Lo strato epitassiale di materiale semiconduttore arseniuro di gallio, la crescita del film di granato materiale a bolle magnetiche, utilizza principalmente questo metodo.