晶体生长(3分钟了解晶体生长技术)

晶体生长技术是利用物质(液体、固体和气体)的物理化学性质来控制相变过程，获得具有一定结构、尺寸、形状和性能的晶体的技术。

(a)天然刚玉可以通过熔化和人工晶体生长获得。(二)人工晶体生长获得的红宝石。人工晶体生长的神奇可见一斑，堪称“点石成玉”技术。

人们从事晶体生长的历史可以追溯到公元前2700年左右。当时，我们的祖先已经掌握了从海水中获取盐晶体的方法。明代的《天工吴凯》一书中记载“人天生卤，人天生盐”。这里的“生命”现在叫做人工晶体生长。我国古代炼丹术中记载“朱砂烧成水银，再化为朱砂”，后一句就是S和Hg合成HgS晶体的过程。但在漫长的历史中，晶体生长一直是经验传授的技巧。

直到20世纪初，现代科学技术的原理被不断应用于控制晶体生长过程，晶体生长开始从技术向科学演变。特别是20世纪50年代以来，以单晶硅为代表的半导体材料的发展，推动了晶体生长理论研究和技术的发展。

晶体生长方法

近年来，随着化合物半导体、光电子材料、非线性光学材料、超导材料、铁电材料、金属单晶材料等电子材料的发展，提出了一系列理论问题，对晶体生长技术提出了越来越复杂的要求。晶体生长原理和技术的研究已经变得越来越重要，成为现代科学技术的一个重要分支。

目前，晶体生长已经逐渐形成了一系列科学理论，用来控制晶体生长过程。但是这个理论体系并不完善，还有很多内容是靠经验的。因此，人们通常认为人工晶体的生长是技术和科学的结合。

完整晶体的制备需要以下条件:

(1)反应体系的温度应控制均匀，防止局部过冷或过热影响晶体的成核和生长；

(2)结晶过程要尽可能缓慢，防止自发成核，因为一旦自发晶核出现，就会产生许多细小颗粒，阻碍晶体生长；

(3)使冷却速度与晶体成核生长速度相匹配，使晶体生长均匀，晶体内没有浓度梯度，成分不偏离化学均匀性。

根据母相的类型，晶体生长方法可分为四类，即熔体生长、溶液生长、气相生长和固相生长。随着控制条件的变化，这四种晶体生长方法演变成了几十种晶体生长技术。

1熔体生长

是指原料在高温下完全熔化，然后在一定条件下通过不同的技术手段制备出满足一定技术要求的单晶材料。熔体必须在受控条件下定向凝固，生长过程由固液界面的运动完成。熔体生长是制备大单晶和特定形状单晶最常用和最重要的方法，具有生长速度快、晶体纯度和完整性高等优点。

包括提拉法、坩埚下降法、区域熔炼法、基座法、冷坩埚法和火焰熔炼法等。

2溶液生长

溶液法的基本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中，采取适当的措施使溶液过饱和，使晶体在其中生长。包括水溶液法、水热法和共溶剂法。水溶液法一般在常压和较低温度(100℃以下)下进行。

解决方法有以下优点:

(1)降低粘度。有些晶体熔化时粘度很高，但冷却后不能形成晶体，变成玻璃体。溶液法通过使用低粘度溶剂可以避免这个问题。

(2)容易生长成均匀性好、形状比较完整的块状晶体。

(3)在大多数情况下，可以直接观察晶体生长过程，便于晶体生长动力学的研究。

溶液法的缺点是组分多，影响晶体生长的因素复杂，生长速度慢，周期长(通常需要几天甚至一年以上)。此外，溶液法晶体生长需要高的温度控制精度。

3汽相生长

气相生长是指通过升华、蒸发、溅射或分解将待生长的晶体材料转变为气相，然后在适当的条件下沉积，实现可控的原子从源材料向固体薄膜的转移。该膜可以是单晶或非晶的。

目前，气相法主要用于晶须、板状晶体和外延膜(同质外延和异质外延)的生长，但大尺寸块状晶体的生长有其缺点。

沉积速率和衬底温度是影响薄膜沉积过程和薄膜结构的两个最重要的因素。为了获得理想的单晶薄膜，往往需要适当提高沉积温度，降低沉积速率。低温沉积和高速沉积通常导致多晶沉积结构的形成。

汽相晶体生长具有以下特点:

1)生长的晶体纯度高；

2)生长的晶体完整性好；

3)晶体生长缓慢；

4)存在一系列不可控因素，如温度梯度、过饱和比、载气流速等。

4固相生长

从固相生长晶体的主要优点是:

1)可以在较低的温度下生长而不添加成分，即在低于熔点的温度下生长；

2)生长出的晶体形状预先固定，容易生长出丝状和箔状晶体；

3)取向往往容易控制；

4)在除去溶剂化之外的固相生长中，杂质和其它添加成分的分布在生长之前是固定的，并且不被生长过程改变(除了通过相当缓慢的扩散而稍微改变)。

从固相生长晶体有五种主要方式:

(1)退火用于消除应变的再结晶；

(2)烧结生长；

(3)利用多态性进行转化和生长；

(4)析晶重结晶；

(5)通过固体沉淀进行重结晶(有时称为去溶剂化生长，这种方法尚未用于单晶生长)。

晶体生长方法的分类

一般来说，如果将晶体生长的全过程分解，至少应包括以下基本过程:溶质溶解、晶体生长元素的形成、晶体生长元素在生长介质中的输运、晶体生长元素在晶体表面的移动和结合以及晶体生长界面的过渡，从而实现晶体生长。因此，从宏观上看，晶体生长过程是晶体与环境相(蒸气、溶液和熔体)的界面不断向环境相移动的过程，即含有晶体单元的母相由低有序相向高度有序相转变。从微观上看，晶体生长过程可以看作是一个“基元”过程，所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元。广义来说，“元素”可以是原子、分子，也可以是具有一定几何构型的原子(分子)集合体。