材料制備方法 考點(diǎn)總結(jié)

1、材料制備方法 重點(diǎn)整理第1章 單晶材料的制備1.單晶材料的四種制備方法氣相法生長單晶vapor phase 溶液法生長單晶aqueous phase熔體法生長單晶melt 熔鹽法生長單晶molten flux2. 氣相法生長單晶升華 Sublimation- Condensation：將固體沿著溫度梯度通過，晶體在管子的冷端從氣相中 生長的方法?！境荷A（約1atm)：As、P、CdS 減壓升華（1atm): ZnS、CdI2、HgI2】蒸氣運(yùn)輸法 Vapor transport growth：在一定的環(huán)境相下，利用載氣來幫助源的揮發(fā)和輸運(yùn)，從而促進(jìn)晶體生長的方法。（常用載氣：鹵素W+3Cl

2、2WCl6）氣相反應(yīng)法 Vapor reaction growth：各反應(yīng)物直接進(jìn)行氣相反應(yīng)從而生成晶體的方法。例：GaCl3+AsCl3+H23GaAs + 6HCl3. 溶液法生長單晶溶液蒸發(fā)法：通過溶劑揮發(fā)的手段促進(jìn)晶體析出溶液降溫法：在較高溫度下制備出飽和溶液，利用溶解度隨著溫度下降而降低的 原理，促進(jìn)晶體析出水熱法：在高溫高壓下的過飽和水溶液中生長單晶的方法。主要裝置為：高壓釜。例子：水晶，剛玉，方解石，氧化鋅以及一系列的硅酸鹽，鎢酸鹽和石榴石等。溫差水熱法：高壓釜內(nèi)部因上下部分的溫差產(chǎn)生對流，將高溫的飽和溶液帶至籽晶區(qū)形成過飽和溶液而結(jié)晶。冷卻析出部分溶質(zhì)的溶液又流向高溫區(qū)，溶解原

3、料。循環(huán)往復(fù)至單晶生長完成。（圖見右）4. 熔體法生長單晶提拉法 Czochralski method（會畫示意圖）提拉法是將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。提拉法的生長工藝首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調(diào)整爐內(nèi)溫度場，使熔體上部處于過冷狀態(tài)；然后在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并轉(zhuǎn)動籽晶桿，使熔體處于過冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上，在不斷提拉和旋轉(zhuǎn)過程中，生長出圓柱狀晶體。優(yōu)點(diǎn)：1）可以直接觀察晶體的生長情況，為控制晶體外

4、形提供了有利條件。 2）晶體在熔體的自由表面處生長，不與坩堝接觸，能夠顯著減小晶體的應(yīng)力，并防 止坩堝壁上的寄生成核。 3）使用定向籽晶或得特定取向的單晶體，降低位錯密度，提高晶體的完整性。缺點(diǎn)：1）一般要用坩堝做容器，導(dǎo)致熔體有不同程度的污染。 2）當(dāng)熔體中更含有易揮發(fā)物時，則存在控制組分的困難。坩堝法Bridgeman method（會畫示意圖）熔體在坩堝中逐漸冷卻而生長單晶，坩堝可以垂直或水平放置。制備過程為，在一定的溫度梯度場中移動坩堝，或者坩堝固定，移動加熱爐或者降溫。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備相對簡單，生長很大直徑單晶，形狀可通過設(shè)計坩堝來限制，可以在封閉體系中進(jìn)行，防止揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)。缺點(diǎn)：不易

5、觀察，生長時有來自于坩堝的壓力。區(qū)熔法 （Zone melting method）1）水平區(qū)熔法：與水平B-S方法類似，但熔區(qū)被限制在一個很小的狹窄范圍內(nèi)，絕大多數(shù)材料處于固態(tài)。特點(diǎn)：提純加單晶生長浮區(qū)法：多晶原料棒豎直放置，原料棒中有一小片熔化區(qū)域，靠表面張力維系，熔區(qū)不斷下移，完成單晶生長。特點(diǎn)：無坩堝技術(shù)熔鹽法生長：單晶在助熔劑輔助下形成高溫溶液，并從熔融狀態(tài)下生長單晶的方法，原理與溶液法類似。倒轉(zhuǎn)法： 坩堝傾斜法：第2章 薄膜材料的制備1. 薄膜材料的四種制備方法物理氣相沉積 Physical vapor deposition 化學(xué)氣相沉積 Chemical vapor deposit

6、ion化學(xué)溶液鍍膜法 外延制膜法2. 薄膜形成機(jī)理核生長型：到達(dá)襯底的沉積原子首先凝聚成核，后續(xù)原子不斷聚集在核附近，使核沿3維方向上不斷長大形成島。周圍的島不斷擴(kuò)大形成連續(xù)薄膜。（襯底與薄膜晶格不相匹配時出現(xiàn)）層生長型：沉積原子在襯底表面以單原子層的形式覆蓋襯底，然后在三維方向上覆蓋第二層，第三層。（襯底與薄膜晶格相匹配時出現(xiàn)） 。層核生長型：前兩者的混合3. 物理氣相沉積Physical vapor deposition （PVD）真空蒸鍍法：將沉積室抽真空，利用蒸發(fā)源對沉積材料進(jìn)行加熱，蒸發(fā)并沉積于基片上蒸發(fā)源類型 Heating methods：1）電阻絲 Resistance hea

7、ting 2）電子束 Electron beam heating 3）射頻感應(yīng) High frequency heating濺射沉積 Sputtering deposition 當(dāng)高能粒子（通常是電場加速的正離子）沖擊固體表面時，固體表面的原子，分子與這些高能粒子交換能量，從而由固體表面飛濺出來，最終在襯底上沉積成膜。1）磁控濺射 Magnetron sputtering：陰極靶附近建立一環(huán)狀磁場，提高濺射效率和控制二次電子運(yùn)動，靶材的利用率不高2）離子束濺射：采用單獨(dú)的離子源來轟擊靶材的鍍膜方法，真空度比磁控濺射高，膜質(zhì)量高，膜生長速度慢，不適合大面積工作離子鍍法：鍍膜時，采用帶能離子轟擊襯

8、底表面和膜層的鍍膜技術(shù)。目的：改善膜層的性能和質(zhì)量。 特點(diǎn)：在較低溫度下鍍膜并且膜層附著性良好。4. 化學(xué)氣相沉積 Chemical Vapor Deposition（CVD）基本原理：在一個加熱的襯底表面上，通過一種或幾種元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，從而形成不揮發(fā)的固態(tài)膜層的過程。（過程：擴(kuò)散 吸附 反應(yīng) 沉積 解吸 擴(kuò)散）前提條件：1）前驅(qū)體有高蒸汽壓 2）副產(chǎn)物易揮發(fā) 3）基板和產(chǎn)物有低蒸汽壓分類：1）普通CVD 2）等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD） 3）光化學(xué)氣相沉積（PCVD）借助于光能使反應(yīng)氣體分子分解，而不電離的技術(shù)。幾種化學(xué)氣相沉積法反應(yīng)類型：1）熱分解反應(yīng) 2）氫還原反應(yīng) 3

9、）氧化反應(yīng) 4）金屬還原反應(yīng) 5）滲碳反應(yīng) 6）氮化反應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)：（PVD正好與之相反）優(yōu)點(diǎn)：1）基板可以是復(fù)雜3-D結(jié)構(gòu) 2）反應(yīng)設(shè)備對真空度要求不高缺點(diǎn)：1）襯底高溫不穩(wěn)定 2）有毒前驅(qū)體與副產(chǎn)物5.化學(xué)溶液鍍膜 Solution Plating化學(xué)鍍 Electroless plating：利用還原劑從所鍍物質(zhì)的溶液中以化學(xué)還原作用，在鍍件的固液兩相界面上析出和沉積得到鍍層的技術(shù)。還原劑 reducing agent 自催化 auto-catalytic浸鍍 Immersion plating1）無需外加還原劑 No reducing agent2）膜質(zhì)地疏松 Low quality 3）

10、絡(luò)合劑改性 Improved with ligands水解鍍膜 Hydrolysis plating過程：陽極氧化鍍膜 Anodic oxidation特點(diǎn)：1）基板是陽極 2）石墨或相應(yīng)的金屬是陰極 3）直流電 4）氧化物鍍層在基板外電鍍 Electroplating特點(diǎn)：1）基板是陰極 2）原料是陽極 3）直流電 4）絡(luò)合物改性薄膜性質(zhì)6.外延法鍍膜（Epitaxy）在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層同質(zhì)外延 homoepitaxy 異質(zhì)外延 Heteroepitaxy外延技術(shù)分類：1）液相外延 2）氣相外延（化學(xué)氣相沉積的特殊形式） 3）分子束外延MBE（真

11、空蒸鍍沉積的特殊形式）第3章 非晶態(tài)材料的制備1. 非晶態(tài)材料的特征a) 在近鄰和次近鄰原子間的鍵合具有一定的規(guī)律性，短程有序。b) 衍射花樣中只呈現(xiàn)較寬的暈和彌散的環(huán)，無衍射斑點(diǎn)，電鏡看不到晶粒，晶界晶格缺陷。c) 溫度升高時，在某個很窄的溫度區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，即非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。2. 非晶態(tài)材料的制備原理：有足夠快的冷卻速率并冷卻到材料的再結(jié)晶溫度以下。 兩大技術(shù)關(guān)鍵：1）形成原子或分子混亂排列的狀態(tài)。 2）將這種熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來。3. 非晶態(tài)材料的制備方法：1）粉末冶金法 2) 氣相直接凝聚法 3）液體急冷法第4章 陶瓷材料的制備1.陶瓷制備的三個階段：坯料Green ceramics 成型Shaping and forming 燒結(jié)Sintering2. 坯料的質(zhì)量要求：1）坯料的成分應(yīng)和配方一致 2）各組分混合均勻 3）顆粒度符合要求 4）致密化 5）對于可塑性強(qiáng)的粘土原料，預(yù)燒必不可少3. 成型技術(shù)可塑法（plastic forming）：加入水分或塑化劑，將坯料混合，制成有塑性的料團(tuán)。注漿法 （casting）：將漿料注入具有吸水性能的模具而得到坯體的成型方法。壓制法（compac