功率移動法

功率移動法，又稱移動加熱器法，是一種生長高質量單晶體的理想方法，可以在遠低於晶體熔點的溫度下生長純度高、組分均勻性好、缺陷密度低的優質單晶體，在生長具有大偏析效應、高蒸氣壓晶體時優勢尤其明顯。

基本介紹

• 中文名：功率移動法  
• 外文名：Power moving method,Travelling heater method
• 別稱：移動加熱器法
• 作用：生長高質量單晶體
• 提出時間：20世紀70年代

定義

功率移動法又稱為移動加熱器法。在進行合金定向凝固和晶體生長實驗時，利用溫度梯度有效地控制合金定向凝固的速度和界面狀態，從而得到不同組織結構的合金的方法。功率移動法的原理是將實驗樣品固定在試驗台架上，通過控制溫度梯度爐功率的移動達到定向凝固的效果。利用這個方法可以避免在樣品移動過程中造成的液固界面前沿液相的擾動，從而獲得高質量的樣品，其缺點是試樣台的裝卡結構較為複雜。經過多次空間微重力實驗，證明這種方法是空間電子材料溶液生長的重要技術，其潛力在於可以生長在特定穩定條件下的大直徑晶體。圖為中國科學院國家微重力實驗室進行地面微重力模擬實驗的多功能溫度梯度爐原理簡圖。

多功能溫度梯度爐原理

功率移動法晶體生長的基本原理

晶體生長的基本原理是，坩堝的底部放入籽晶，籽晶的上方裝入適量的溶劑，溶劑區上方放入預先合成的多晶料，如右圖所示，溶劑區的物料要壓實，防止上方溶解的多晶料直接落到籽晶表面。抽掉坩堝中的空氣並進行密封。將坩堝放入晶體生長爐時，溶劑區要位於爐膛溫度最高的位置。隨著加熱器的向上移動，多晶原料溶解並進入溶劑區形成溶液，而在下方低溫區溶液過飽和，其中溶解的溶質又重新析出，沉積在溶液下方的生長界面上。加熱器的連續移動確保生長過程穩定進行。在整個生長過程中，生長速率是由溶質運輸速度和生長界面的穩定性及形狀決定。溶劑區和生長界面處要有較大的溫度梯度，以保證溶質運輸的有效性，防止溶質直接落到生長界面上。最終得到的生長界面應該是平坦的或中間略凸的，防止在生長過程中出現雜質和缺陷的積累。

晶體生長的基本原理

功率移動法晶體生長的優缺點

優點

(1)一般的熔體法晶體生長技術，如提拉法和垂直梯度法，是在高於熔點的溫度下進行晶體生長，物料中的某種組分會產生反位取代，最終得到的晶體成分會遠遠偏離原有的化學計量比。而在較低的溫度下用移動加熱器法生長晶體，會減少反位取代缺陷的發生，得到的晶體組分更加均勻，電阻率也較高。較低的溫度也會減小坩堝壁的污染，降低反應物的蒸汽壓，減小由於蒸氣壓過高而引起的坩堝爆裂的可能性。用移動加熱器法生長得到的三元化合物晶體的組分非常均勻。

(2)功率移動法本身包含了區熔提純作用，溶劑能吸收一定量的多晶料中的雜質，從而提高製得晶體的純度；

(3)生長界面處大的溫度梯度可以抑制組分過冷，減小因組分過冷而引起的生長界面不穩定性。

缺點

(1)晶體生長需要有籽晶的加入，籽晶必須是通過其他技術如布里奇曼法或氣相生長法獲得的。這極大地增加了移動加熱器法商業化生產的成本。

(2)移動加熱器法的生長速率很低，每天只生長几個毫米。其主要原因是：熔區內溶質濃度小；低溫生長，多晶料並未熔化，而是在與熔區接觸的溶解界面上緩慢溶解；溶質經過熔區從溶解界面到生長界面的輸運速度慢。

這2個缺點嚴重阻礙了移動加熱器法在大規模工業化生產中的套用。由於上述幾方面原因，在過去的三十多年間，很多專家學者對移動加熱器法晶體生長進行了理論和實驗研究。