材料常用制備方法

1、材料常用制備方法晶體生長技術(shù)1熔體生長法【 melt growth method 】（將欲生長晶體的原料熔化，然后讓熔體達到一定的過冷而形成單晶）1.1 提拉法特點： a. 可以在短時間內(nèi)生長大而無錯位晶體b. 生長速度快，單晶質(zhì)量好c. 適合于大尺寸完美晶體的批量生產(chǎn)1.2 坩堝下降法特點：裝有熔體的坩堝緩慢通過具有一定溫度梯度的溫場， 開始時整個物料熔融， 當坩堝下降通過 熔點時，熔體結(jié)晶，隨坩堝的移動，固液界面不斷沿坩堝平移，至熔體全部結(jié)晶。1.3 區(qū)熔法特點：a. 狹窄的加熱體在多晶原料棒上移動，在加熱體所處區(qū)域，原料變成熔體，該熔體在加熱器 移開后因溫度下降而形成單晶b. 隨著加熱體

2、的移動，整個原料棒經(jīng)歷受熱熔融到冷卻結(jié)晶的過程，最后形成單晶棒 C.有時也會固定加熱器而移動原料棒1.4 焰熔法特點：a.能生長出很大的晶體（長達 1m）b. 適用于制備高熔點的氧化物c. 缺點是生長的晶體內(nèi)應力很大1.5 液相外延法優(yōu)點：a. 生長設備比較簡單；b. 生長速率快；C.外延材料純度比較咼；d. 摻雜劑選擇范圍較廣泛；e. 外延層的位錯密度通常比它賴以生長的襯底要低；f. 成分和厚度都可以比較精確的控制，重復性好； 操作安全。缺點：a. 當外延層與襯底的晶格失配大于1%時生長困難；b. 由于生長速率較快，難得到納米厚度的外延材料；C.外延層的表面形貌一般不如氣相外延的好。2. 溶

3、液生長法【 solution growth method 】（使溶液達到過飽和的狀態(tài)而結(jié)晶）2.1 水溶液法 原理：通過控制合適的降溫速度，使溶液處于亞穩(wěn)態(tài)并維持適宜的過飽和度，從而結(jié)晶2.2 水熱法【 Hydrothermal Method 】特點： a. 在高壓釜中，通過對反應體系加熱加壓（或自生蒸汽壓） ，創(chuàng)造一個相對高溫高壓的反應 環(huán)境，使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解而達到過飽和、進而析出晶體b. 利用水熱法在較低的溫度下實現(xiàn)單晶的生長，從而避免了晶體相變引起的物理缺陷2.3 高溫溶液生長法（熔鹽法）特點：a.使用液態(tài)金屬或熔融無機化合物作為溶劑b. 常用溶劑：液態(tài)金屬液態(tài)Ga （溶解As

4、）Pb、Sn 或 Zn （溶解 S、Ge、GaAs）KF （溶解 BaTiO3）Na2B4O7 （溶解 Fe2O3）c. 典型溫度在1000 C左右d. 利用這些無機溶劑有效地降低溶質(zhì)的熔點，能生長其他方法不易制備的高熔點化合物，如鈦酸鋇 BaTiO3氣相沉積法1. 物理氣相沉積法 （PVD）【 Physical Vapor Deposition 】1.1 真空蒸鍍【 Evaporation Deposition 】特點：a.真空條件下通過加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面；b .常用鍍膜技術(shù)之一；c. 用于電容器、光學薄膜、塑料等的鍍膜；d. 具有較高的沉積速率，可鍍制單質(zhì)和不易熱分解的化合

5、物膜 分類：電阻加熱法、電子轟擊法1.2 陰極濺射法（濺鍍） 【Sputtering Deposition 】 原理：利用高能粒子轟擊固體表面（靶材） ，使得靶材表面的原子或原子團獲得能量并逸出表面， 然后在基片（工件）的表面沉積形成與靶材成分相同的薄膜。分類：二極直流濺射【 Bipolar Sputtering 】 高頻濺鍍【 RF Sputtering 】 磁控濺鍍【 magnetron sputtering 】1.3 離子鍍【 ion plating 】特點：a.附著力好（濺鍍的特點）b. 高沉積速率（蒸鍍的特點）c. 繞射性d. 良好的耐磨性、耐磨擦性、耐腐蝕性2. 化學氣相沉積法（

6、CVD）【 Chemical Vapor Deposition 】按反應能源：2.1 Thermal CVD特點：a.利用熱能引發(fā)化學反應b. 反應溫度通常高達 8002000 Cc. 加熱方式電阻加熱器 高頻感應 熱輻射 熱板加熱器2.2 Plasma-Enhanced CVD （PECVD）優(yōu)點：a.工件的溫度較低，可消除應力；b. 同時其反應速率較高。缺點：a.無法沉積高純度的材料；b. 反應產(chǎn)生的氣體不易脫附；c. 等離子體和生長的鍍膜相互作用可能會影響生長速率。2.3 Photo CVD特點：a.利用光能使分子中的化學鍵斷裂而發(fā)生化學反應，沉積出特定薄膜。b.缺點是沉積速率慢，因而其

7、應用受到限制按氣體壓力：2.1 常壓化學氣相沉積法（ APCVD）【 Atmospheric Pressure CVD 】 特點：a常壓下進行沉積b. 擴散控制c. 沉淀速度快d. 易產(chǎn)生微粒e. 設備簡單2.2 低壓化學氣相沉積法（ LPCVD）【Low Pressure CVD 】特點：a.沉積壓力低于lOOtorrb. 表面反應控制c. 可以沉積出均勻的、步覆蓋能力較佳的、質(zhì)量較好的薄膜d. 沉淀速度較慢e. 需低壓設備三溶膠-凝膠法【Sol-Gel Process】（通過凝膠前驅(qū)體的水解縮合制備金屬氧化物材料的濕化學方法） 優(yōu)點：a.易獲得分子水平的均勻性；b. 容易實現(xiàn)分子水平上的均

8、勻摻雜；c. 制備溫度較低；d. 選擇合適的條件可以制備各種新型材料。 缺點：a.原料價格比較昂貴；b. 通常整個溶膠-凝膠過程所需時間較長，常需要幾天或兒幾周。c. 凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中又將會逸出許多氣體及有機物，并產(chǎn)生收縮四. 液相沉淀法【liquid-phase precipitation】（在原料溶液中添加適當?shù)某恋韯?，從而形成沉淀物?. 直接沉淀法【 Direct precipitation 】特點：a.操作簡單易行，對設備技術(shù)要求不高，不易引入雜質(zhì)，產(chǎn)品純度很高，有良好的化學計量 性，成本較低。b.洗滌原溶液中的陰離子較難，得到的粒子粒徑分布較寬，分散性較差2. 共沉

9、淀法【 Coprecipitation 】特點：a.可避免引入對材料性能不利的有害雜質(zhì)；b. 生成的粉末具有較高的化學均勻性，粒度較細，顆粒尺寸分布較窄且具有一定形貌；c. 設備簡單，便于工業(yè)化生產(chǎn)3. 均勻沉淀法【 Homogeneous precipitation 】特點：a.沉淀劑由化學反應緩慢地生成b. 避免沉淀劑濃度不均勻c. 可獲得粒子均勻、夾帶少、純度高的超細粒子d. 沉淀劑： 尿素合成氧化物、碳酸鹽硫代乙酰胺合成硫化物 硫代硫酸鹽合成硫化物五. 固相反應【Solid phase reaction】 分類： 按反應物質(zhì)狀態(tài)分類 :a. 純固相反應b. 有氣體參與的反應（氣固相反應

10、）c. 有液相參與的反應（液固相反應）d. 有氣體和液體參與的三相反應（氣液固相反應） 按反應機理分類 :a. 擴散控制過程b. 化學反應速度控制過程 C.晶核成核速率控制過程 d.升華控制過程等等。按反應性質(zhì)分類 :a. 氧化反應b. 還原反應C.加成反應d. 置換反應e. 分解反應特點：a. 固態(tài)直接參與化學反應。b. 固態(tài)反應一般包括相界面上的反應和物質(zhì)遷移兩個過程，反應物濃度對反應的影響很小， 均相反應動力學不適用。C.反應開始溫度常遠低于反應物的熔點或系統(tǒng)低共熔溫度。這一溫度與反應物內(nèi)部開始呈現(xiàn)明顯擴散作用的溫度相一致，常稱為泰曼溫度或燒結(jié)開始溫度。六插層法和反插層法【 Interc

11、alation and deintercalation 】1. 插層法（或植入法）把一些新原子導入晶體材料的空位2. 反插層法（或提取法）有選擇性地從晶體材料中移去某些原子特點：a.起始相與產(chǎn)物的三維結(jié)構(gòu)具有高度相似性b.產(chǎn)物相對于起始相其性質(zhì)往往發(fā)生顯著變化七自蔓延高溫合成法（SHS）【Self-Propagating High-Temperature Synthesis 】（利用反應物之間的化學反應熱的自加熱和自傳導作用來合成材料的一種技術(shù)）特點：a. 生產(chǎn)工藝簡單，反應迅速，生產(chǎn)過程時間短；b. 最大限度利用材料人工合成中的化學能，節(jié)約能源；C.合成反應溫度高，可以使大多數(shù)雜質(zhì)揮發(fā)而得到高純產(chǎn)品；d. 合成過程經(jīng)歷了極大的溫度梯度，生成物中可能出現(xiàn)缺陷