晶體培育

研究晶體特別是單晶體生長方法和晶體生長機理的化學、物理學及晶體學，以及晶體質量的檢驗和控制等。是現代科學的一個重要領域。

基本介紹

• 中文名：晶體培育
• 範圍：現代科學
• 記載文獻：《晶體生長》
• 目的：晶體質量的檢驗和控制

正文

單晶體通常是指在巨觀尺度範圍內不包含大角度晶界的晶體。在自然界中存在著許多大的單晶體，如水晶、方解石、金剛石等。但多數金屬、氧化物、鹽類等均不以單晶體的形式存在，這些物質的單晶往往需要用人工的方法加以培育。隨著現代科學和工程技術的發展，單晶在理論上和實用上都占有重要的地位,例如：許多半金屬（鍺、矽等）和Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅵ族化合物單晶是製作電子、 雷射和紅外器件的材料。在金屬物理和材料科學領域內，如金屬強度、形變、相變、晶體缺陷和擴散等，單晶也是重要的研究對象。由於研究的內容不同和實際套用的差別，對晶體的大小和質量的要求也各不相同，因此出現許多培育晶體的方法。
從熔體中培育單晶 ①提拉法 將金屬或合金在保護氣氛下加熱熔化,然後用一定取向的籽晶引提熔體,一面旋轉，一面按一定速度上升，溶體在上升過程中逐漸凝固結晶成單晶。這種方法是1918年波蘭的喬赫拉斯基(J.Czochraski)首先提出的，故稱為喬赫拉斯基法（或稱提拉法）,見圖1。由於這種方法比較簡便，能生長質地優良的近完整單晶，特別是美國達什(W.C.Dash)提出縮頸-細頸工藝之後,能生長無位錯和少位錯大直徑單晶。在沒有籽晶時，也可慢速拉成細頸使得某一晶粒充分發育,以至細頸僅包含一個晶粒,這樣繼續生長也可得到單晶。現在此法在控制單晶體的質量、製取大直徑單晶和自動化操作方面取得很大進展。 　②區域熔化(簡稱區熔)法 是培育單晶的另一類方法。它用可移動的加熱線圈形成可移動的熔區，以多晶棒為原料。在加熱多晶棒端部形成熔區時，用比多晶棒小很多的籽晶引晶,然後以適當速度緩慢移動熔區,使多晶棒經熔融-凝固而長成單晶，見圖2。培育金屬晶體還常採用如圖3所示的布里奇曼(Bridgman)法，模子中的液態金屬緩慢進入低溫區而結晶成單晶。　在固態下培育單晶 根據形變數較小（相當於某臨界值）的多晶材料再結晶退火時，可以獲得很大晶粒的原理,發展了形變-再結晶退火固態培育單晶的方法。其要點是把多晶材料製成一定形狀（一般為絲狀或長的薄片狀），給其一定的形變數後，在再結晶溫度下進行長時間退火，可以得到單晶。
在氣態下培育單晶 許多金屬的鹵化物在高溫下分解出金屬蒸氣，也可以用蒸發、濺射等方法獲得金屬或合金的蒸氣。如果在金屬蒸氣中引入籽晶並使其保持一定溫度，同時控制蒸氣濃度，籽晶可以從蒸氣中吸取金屬原子而繼續長大。如果籽晶呈棒狀，且僅沿徑向長大，則可得到棒狀單晶，稱為氣相生長單晶；如果籽晶為片狀，且僅在片的一個表面生長，稱為氣相外延生長。由於蒸氣來源和襯底籽晶不同，外延方法有多種多樣。如果外延層與襯底相同，稱為同質外延，否則稱為異質外延。如果外延層與襯底物質不同，但晶體結構相同，雖然點陣參數的差別使界面附近存在點陣錯配，但仍獲得單晶外延層。如果外延層與襯底物質不同，晶體結構也不同，則只能在某些有較好匹配關係的晶面上外延，得不到單晶外延層。

晶須培育

晶須是一種在一定條件下生長的細絲狀單晶。金屬晶須直徑小到1微米時,它的強度比普通大塊金屬晶體的強度高100倍以上。有自然生長的晶須,但可供研究的晶須多用人工方法培育。常用的有金屬蒸氣凝聚法和金屬鹵化物還原法。前一方法通過過飽和金屬蒸氣在較低溫度的凝聚頭上凝聚，開始時生長端向前（軸向）生長的速度遠大於橫向（徑向）生長速度，至達到晶須的最後長度，即當徑向開始生長時應停止培育。
另一方法是把鹵化物裝入一小舟中，放在通氫氣的爐內,經化學反應,便可從中生長出長度達幾厘米、直徑由幾微米到幾十微米的晶須。此外，還有各種沉澱（包括由熔態、溶液、電解槽中及固態中沉澱）的方法。

參考書目

J.J.Gilman ed.,The Art and Science of Growing Crystals,Wiley,London,1963.
B.R.Pamplin,Crystal Growth, Pergamon Press,Oxford,1975.
張克從、張樂潓主編：《晶體生長》,科學出版社,北京，1981。