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(zhǎng)單晶vapor phase 溶液法生長(zhǎng)單晶aqueous phase熔體法生長(zhǎng)單晶melt 熔鹽法生長(zhǎng)單晶molten flux2. 氣相法生長(zhǎng)單晶升華 Sublimation- Condensation：將固體沿著溫度梯度通過(guò)，晶體在管子的冷端從氣相中 生長(zhǎng)的方法。【常壓升華（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(lái)幫助源的揮發(fā)和輸運(yùn)，從而促進(jìn)晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)單晶溶液蒸發(fā)法：通過(guò)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(guò)飽和水溶液中生長(zhǎng)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(duì)流，將高溫的飽和溶液帶至籽晶區(qū)形成過(guò)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(zhǎng)完成。（圖見(jiàn)右）4. 熔體法生長(zhǎng)單晶提拉法 Czochralski method（會(huì)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(zhǎng)出單晶體。提拉法的生長(zhǎng)工藝首先將待生長(zhǎng)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(chǎng)，使熔體上部處于過(guò)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(dòng)籽晶桿，使熔體處于過(guò)冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上，在不斷提拉和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，生長(zhǎng)出圓柱狀晶體。優(yōu)點(diǎn)：1）可以直接觀察晶體的生長(zhǎng)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(zhǎng)，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(cuò)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(shí)，則存在控制組分的困難。坩堝法Bridgeman method（會(huì)畫示意圖）熔體在坩堝中逐漸冷卻而生長(zhǎng)單晶，坩堝可以垂直或水平放置。制備過(guò)程為，在一定的溫度梯度場(chǎng)中移動(dòng)坩堝，或者坩堝固定，移動(dòng)加熱爐或者降溫。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)很大直徑單晶，形狀可通過(guò)設(shè)計(jì)坩堝來(lái)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(zhǎng)時(shí)有來(lái)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)。特點(diǎn)：無(wú)坩堝技術(shù)熔鹽法生長(zhǎng)：?jiǎn)尉г谥蹌┹o助下形成高溫溶液，并從熔融狀態(tài)下生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)出現(xiàn)）層生長(zhǎng)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(shí)出現(xiàn)） 。層核生長(zhǎng)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(duì)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(chǎng)加速的正離子）沖擊固體表面時(shí)，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(lái)，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(chǎng)，提高濺射效率和控制二次電子運(yùn)動(dòng)，靶材的利用率不高2）離子束濺射：采用單獨(dú)的離子源來(lái)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(zhǎng)速度慢，不適合大面積工作離子鍍法：鍍膜時(shí)，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(gè)加熱的襯底表面上，通過(guò)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(guò)程。（過(guò)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(duì)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(wú)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(guò)程：陽(yáng)極氧化鍍膜 Anodic oxidation特點(diǎn)：1）基板是陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(wú)衍射斑點(diǎn)，電鏡看不到晶粒，晶界晶格缺陷。c) 溫度升高時(shí)，在某個(gè)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(lái)。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(gè)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(duì)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