Funktionelle Kristallmaterialien

Vorbereitungsmethode

Schmelzmethode

Das Züchten von Kristallen aus Schmelzen ist eine der gebräuchlichsten und wichtigsten Methoden zur Herstellung großer Einkristalle und Einkristalle mit bestimmten Formen.

Die meisten Einkristallmaterialien, die in modernen technischen Anwendungen wie Elektronik und Optik benötigt werden, werden durch Schmelzwachstumsverfahren hergestellt, beispielsweise Einkristallsilizium, GaAs (Galliumnitrid), LiNbO3 (Lithiumniobat), Nd:YAG (Neodym-dotiertes Ytterbiumaluminium). Granat), Al2O3 (weißer Edelstein) und bestimmte Erdalkalimetalle sowie halogenierte Verbindungen von Erdalkalimetallen usw.

Im Vergleich zu anderen Methoden bietet das Schmelzwachstum in der Regel die Vorteile eines schnellen Wachstums sowie einer hohen Reinheit und Integrität der Kristalle. Das einfache Prinzip des Kristallwachstums durch die Schmelzmethode besteht darin, das Rohmaterial für das Kristallwachstum zu schmelzen und es unter bestimmten Bedingungen zu einem Einkristall zu verfestigen. Das Schmelzen des Rohmaterials und das Erstarren der Schmelze sind die beiden Hauptschritte.

Die Schmelze muss unter kontrollierten Bedingungen gerichtet erstarren, und der Wachstumsprozess wird durch die Bewegung der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche erreicht. Um Kristalle in der Schmelze wachsen zu lassen, muss die Temperatur des Systems unter der Gleichgewichtstemperatur liegen. Der Zustand, in dem die Systemtemperatur unter der Gleichgewichtstemperatur liegt, wird zur Unterkühlung.

Der Absolutwert der Unterkühlung ist der Grad der Unterkühlung, der das Ausmaß der Unterkühlung des Systems angibt. Der Grad der Unterkühlung ist die treibende Kraft für das Kristallwachstum im Schmelzverfahren. Für eine bestimmte kristalline Substanz ist der Hauptfaktor, der die Kristallwachstumsrate bei einem bestimmten Unterkühlungsgrad bestimmt, die relative Größe des Temperaturgradienten zwischen Kristall und Schmelze.

Lösungsmethode bei normaler Temperatur

Die Züchtung von Kristallen aus Lösungen hat die längste Geschichte und wird weithin genutzt. Das Grundprinzip dieser Methode besteht darin, den gelösten Rohstoff in einem Lösungsmittel aufzulösen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um einen übersättigten Zustand der Lösung zu erreichen, in der die Kristalle wachsen. Die Lösungsmethode hat folgende Vorteile:

1. Kristalle können bei Temperaturen weit unter ihrem Schmelzpunkt gezüchtet werden. Es gibt viele Kristalle, die sich unterhalb ihres Schmelzpunktes zersetzen oder unerwünschte kristallographische Umwandlungen durchlaufen, und einige weisen beim Schmelzen einen hohen Dampfdruck auf. Die Lösung ermöglicht das Wachstum dieser Kristalle bei einer niedrigeren Temperatur und vermeidet so die oben genannten Probleme. Darüber hinaus sind die Wärmequelle und das Wachstumsgefäß für das Wachstum von Kristallen bei niedrigen Temperaturen einfacher auszuwählen.

2. Reduzierte Viskosität. Einige Kristalle sind im geschmolzenen Zustand sehr viskos und können beim Abkühlen keine Kristalle bilden und werden glasig.

3. Es lässt sich leicht zu großen, gleichmäßigen Kristallen mit vollständiger Form wachsen lassen.

4. In den meisten Fällen kann der Kristallwachstumsprozess direkt beobachtet werden, was die Untersuchung der Kristallwachstumskinetik erleichtert. Die Nachteile der Lösungsmethode sind die vielen Komponenten, die Komplexität der Faktoren, die das Kristallwachstum beeinflussen, die langsame Wachstumsrate und der lange Zeitraum (normalerweise dauert es mehrere zehn Tage oder sogar mehr als ein Jahr).

Darüber hinaus erfordert die Lösungsmethode eine hohe Präzision bei der Temperaturkontrolle für das Kristallwachstum. Voraussetzung für das Kristallwachstum nach der Lösungsmethode: Die Konzentration der Lösung ist größer als die Gleichgewichtskonzentration bei dieser Temperatur, also der Grad der Übersättigung. Die treibende Kraft ist der Grad der Übersättigung.

Hochtemperaturlösungsverfahren

Die Hochtemperatur-Lösungsmethode ist eine wichtige Methode zur Kristallzüchtung und war eines der Mittel der frühen Alchemie. Das Züchten von Kristallen aus einer Lösung oder einem geschmolzenen Salzlösungsmittel bei hohen Temperaturen ermöglicht das Wachstum der gelösten Phase bei Temperaturen deutlich unter ihrem Schmelzpunkt. Diese Methode hat gegenüber anderen Methoden folgende Vorteile:

1. Starke Anwendbarkeit: Solange Sie das geeignete Flussmittel oder die richtige Kombination von Flussmitteln finden, können Sie Einkristalle züchten.

2. Bei vielen feuerfesten Verbindungen ist der Schmelzpunkt sehr flüchtig oder die Temperatur ist hoch, wenn sich der Wert oder die Phasenänderung des Materials ändert, und die Zusammensetzung der geschmolzenen Verbindung ist nicht identisch. Sie können nicht direkt aus der Schmelze wachsen oder nicht wachsen Ein vollständiges, hochwertiges Einkristallverfahren mit Flussmittel aufgrund des Wachstums bei niedriger Temperatur, das zeigt, dass das Flussmittelverfahren aufgrund der niedrigen Wachstumstemperatur eine einzigartige Fähigkeit aufweist.

Nachteile der Kristallpräparation nach der Salzschmelze-Methode:

langsames Kristallwachstum; nicht leicht zu beobachten; Flussmittel sind oft giftig; kleine Kristallgröße; gegenseitige Verunreinigung durch Mehrkomponentenflussmittel.

Diese Methode eignet sich zur Herstellung folgender Materialien:

(1) Materialien mit hohem Schmelzpunkt;

(2) Materialien mit Phasenübergang bei niedriger Temperatur;

(3) Komponenten mit hohem Dampfdruck in den Komponenten. Grundprinzip: Bei der Hochtemperatur-Lösungsmethode wird ein kristallines Material in einem geeigneten Flussmittel unter Hochtemperaturbedingungen aufgelöst, um eine Lösung zu bilden. Das Grundprinzip ist das gleiche wie bei der Lösungsmethode bei Raumtemperatur. Allerdings ist die Wahl des Flussmittels und die Bestimmung der Phasenbeziehung der Lösung eine Voraussetzung für das Kristallwachstum bei der Hochtemperaturlösungsmethode.

Physikalisch-chemisches Dampfphasenverfahren

Die sogenannte Gasphasenmethode für das Kristallwachstum besteht darin, das zu züchtende Kristallmaterial durch den Prozess der Sublimation, Verdampfung und Zersetzung in die Gasphase umzuwandeln und es dann durch geeignete Bedingungen in gesättigten Dampf zu verwandeln und durch Kondensation zu Kristallen zu wachsen Kristallisation. Die Merkmale des Kristallwachstums durch die Gasphasenmethode sind:

1. hohe Reinheit der gezüchteten Kristalle;

2. gute Integrität der gewachsenen Kristalle;

3. langsame Wachstumsrate der Kristalle;

4. eine Reihe von Faktoren, die schwer zu kontrollieren sind, wie z. B. Temperaturgradient, Übersättigungsverhältnis, Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases usw. Derzeit wird die Gasphasenmethode hauptsächlich für das Whiskerwachstum und das Wachstum epitaktischer Filme (homogen und) verwendet (heterogene Epitaxie), während das Wachstum großer Volumenkristalle seine Nachteile hat.

Die Dampfphasenmethode kann in zwei Haupttypen unterteilt werden: physikalisch

Gasphasenabscheidung (PVD): die Umwandlung polykristalliner Materialien in Einkristalle durch physikalische Koaleszenz, wie z. B. Sublimationskondensation, Molekularstrahlepitaxie und Kathodenzerstäubung;

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): Umwandlung polykristalliner Rohstoffe in Einkristalle durch die Gasphase durch chemische Prozesse, wie z. B. chemische Transportmethoden, Gaszersetzungsmethoden, Gassynthesemethoden und MOCVD-Methoden.