人工晶体.ppt
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人工晶体.ppt
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人工晶体,主要内容:
人工晶体的定义,我们生活周围的很多物质都是晶体,比如地上的石头、沙土。
沙土颗粒虽小,人用肉眼无法观察到它的晶面、晶形,但它却实实在在是由晶体构成的。
构成物质的原子、离子或分子在空间作长程有序的排列,形成一定的点阵结构,就是晶体;而内部没有长程有序排列(只有短程有序)的物质就是非晶态固体,如玻璃、石蜡、橡胶等。
晶体通常具有规则的外形,棱角分明。
顾名思义,人工晶体就是使用人工方法合成出的晶体。
人工晶体的特点,与天然晶体相比,它具有可控的生长规律和习性,可按照人们的意志在适当环境条件下,利用适当的设备,合成或生长出具有较高实用价值的晶体结构,也可根据应用对象的性能需求,生长出满足特定应用要求的人工晶体来。
人工晶体的应用和发展,自然界的晶体(矿物)以其美丽、规则的外形,早就引起了人们的注意。
人类同晶体打交道始于史前时期。
我们的祖先蓝天猿人和北京猿人从十五万年前所用的工具就是石英。
我国周代就有“他山之石,可以攻玉”之记载(诗小雅鹤鸣)此“他山之石”,实际指的是一些硬度高于玉,可以用来琢玉的矿物晶体,其中也包括金刚石。
人来还利用有些天然矿物晶体具有魅力多彩的颜色等特性来制作饰物。
天然宝石实际上就是指符合工艺美术要求的稀少的矿物单晶体,而宝石和首饰的出现,很难从文字记载去考证,它原早于人来的文明史。
人工晶体的应用和发展,中国的晶体生长工作可追溯到以前多年以前,宋代程大昌所著演繁露记载道:
“盐已成卤水,暴烈日,即成方印,洁白可爱,初小渐大,或数千印累累相连。
”这就是用蒸发法从过饱和溶液中中生长食盐晶体的方法,这种晶体生长方法的出现,比记载的还要早的多。
早期制卤水的“卤”字广泛指盐类,这个象形文字,实际上是一个蒸发盐水的俯视图。
食盐晶体在排列整齐的盐田中结晶而出。
人工晶体的应用和发展,银朱(丹砂或人造辰砂)的制造,是中国古代合成晶体的又一实例。
李时珍引用胡演的丹药秘诀说;“升炼银朱,用石亭脂二斤,新锅内融化,次下水银一斤,炒作青砂头,炒不见星,研磨罐盛,石板盖住,铁线缚定,银泥固济,大火煅之,待冷取出,贴内者为银朱,贴口者为丹砂”这里所描写的就是汞和硫通过化学气相沉积(CVD)而形成丹砂(硫化汞)的过程。
这一过程古时候称之为“升炼”。
在气相沉积的运输过程中,银沉积位置不同(因而温度也不同)而形成的晶体颗粒大小不同,小的叫银朱,大的叫丹砂。
炼丹炉,人工晶体的应用和发展,国外最早由文字记载的人工合成晶体工作是1540年,勃林古西欧首先详细纪律了硝石的滤取及其重结晶提纯的过程。
人工合成晶体的发展初期,是上一世纪中叶到世纪初。
地质学家们在探索矿物在自然界中成因时认为有许多的矿物是在水相中发高温高压条件下形成的。
他们就设法在实验室条件下合成这些晶体以证实他们的理论。
这些虽不是以获得大而完整的单晶为目的,但却为此积累了大量有价值的资料,为水热法合成水晶打下了基础。
人工晶体的应用和发展,1902年,维尔纳叶发明了焰熔法来生长红宝石,并快速的投入到工业生产。
为以人工合成单晶代替天然的晶体并实现工业化开创了先河。
直到今天,在世界上20多个工厂中仍有上千台类似于维尔纳叶焰熔法的设备在运转。
1905年-水热法;lOl7年-提拉法;1949年,英国法拉第学会,举行了世界上第一次关于晶体生长的学术讨论会,这次会议奠定了晶体生长的理论基础。
1955年高压合成金刚石获得成功,实现了几代晶体生长工作者长期的梦想。
成为人工晶体另一个突破。
1960年在红宝石晶体上首次实现了光的受激发射。
激光的出现和应用的发展对人工晶体的工作是一个很大的推动此后,许多自然界所没有的激光晶体和非线性光学晶体以及装饰宝石晶体先后被人工合成出来。
重量近3克拉的人造金刚石,德拜尔公司在1991年合成的14克拉单晶钻石,人工合成的氧化锆晶体,人工晶体的应用和发展,中国现代晶体生长和晶体材料研究起步较晚,改革开放以来发展很快。
目前,主要依靠自己发展的技术,几乎所有重要的人工晶体都已经成功的生长出来了,许多的晶体的尺寸和质量都达到了较高的水平,享誉国际市场,如BGO,KTP,BBO,LBO等,其中BBO和LBO都是首先由我国研制出来的。
经过50年的发展,中国人工晶体有一个基本空白的领域发展到今天在国际上占有一席之地,让人刮目相看。
1961年8月,中国第一台激光器“小球照明红宝石”激光器,在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生。
人工晶体的重要性,从单晶角度来看,长期以来,天然矿物晶体是大块单晶的唯一来源。
由于形成条件的限制,大而完整的单晶矿物相当稀少。
某些特别罕见的宝石单晶(如钻石,红宝石)多数形成了稀奇的收藏品、名贵的装饰品和博物馆中的展览品。
发现一些单晶体具有宝贵的物理性质及其在技术上的应用价值是最近一个世纪的事。
随着生产和科学技术的发展,人们对单晶体的需要日益增加。
例如加工工业需要大量的金刚石、精密仪表和钟表工业需要大量红宝石做轴承,光学工业大量冰洲石制造偏光镜,超声和压电技术需要大量的压电水晶等等。
但天然的单晶矿物无论是在品种数量还质量上都不能满足日益增长的需要。
于是人们就想方设法用人工合成单晶,这也促进了合成晶体工业的发展。
人工晶体的重要性,总之,人工晶体是一种重要的功能材料,它能实现光、电、声、磁、热等不同能量形式的的交互工作和转换,在现代科学技术中应用十分广泛。
人工晶体在品种、质量、数量方面已远远超过了天然晶体。
人工晶体的合成(生长)即是一门技术,也是一门科技。
由于晶体需要从不同状态和不同条件下生成,加上应用对人工晶体的要求十分苛刻,因而造成了人工合成晶体方法和技术的多样性以及生长条件和设备的复杂性。
人工晶体作为一门科学,她包括材料制备科学、晶体生长机理,新晶体材料的探索和晶体的表征等方面,充分体现了材料科学、凝聚态物理和固体化学等多学科的交叉的特点。
人工晶体的分类,人工晶体可按不同方法进行分类:
按化学分类可分为无机晶体和有机晶体等;按生长方法分类可分为水溶性晶体和高温晶体等;按其物理性质分类可分为半导体晶体、激光晶体、非线性光学晶体、光折变晶体、电光晶体、磁光晶体、声光晶体、闪烁晶体等。
人工晶体的分类,由于人工晶体主要作为一类重要的功能材料应用,因此通常按物性分类的方法;有些晶体具有多种功能和应用,因此,同一种晶体液可以有不同的归类。
半导体晶体Si,Ge,-化合物,SiC激光晶体Nd;YAG,Yb;YAG,Ti;AI2O3,Cr;BeAI2O4,CrBeAI2O4,CrLi:
CaAIF6,非线性光学晶体(频率变换)KTP,BBO,LBO,MgO:
LiNbO3,KDP系列,LAP光折变晶体BaTiO3,LiNbO3,KNbO3,SBN,KTN,BSO压电晶体水晶,LiNbO3,LiTaO3,Li2B4O7光调制晶体(电光、声光、磁光)LiNbO3,LiTaO3,PbMoO4,TeO2,YIG,LGS光学晶体NaCI,KCI,KBr,LiF,CaF2闪烁晶体NaI(TI),BGO,BaF2,CsI,PbWO4宝石晶体红宝石,蓝宝石,绿宝石,立方氧化锆超硬晶体金刚石颗粒,金刚石薄膜,氮化硼,YAG激光晶体,氧化铝晶体,人工合成的金刚石,人工晶体的分类,晶体宝贵的物理性能是各类功能性晶体应用的基础,她是由晶体和物质个层次结构以及组成决定的。
由于长程有序的周期性重复构造,晶体有关其共性,如均匀性、各项异性、对称性和固定的熔点等。
但由于晶体结构的多样性和组成晶体的千变万化,有决定了晶体的各种各样的具体特性,例如:
金刚石中的C原子由于一共价键结合成四面体的结构,决定了她具有极高的硬度;在水晶构造中硅氧四面体沿Z轴呈三方螺旋对称的排列方式造成了警惕的压电和旋光性,掺Nd;YAG晶体中激活的钕离子和石榴石中的基质晶体的良好匹配使得Nd;YAG成为激光晶体中的佼佼者等等。
因此,结构、组分和性能关系的研究在功能晶体材料中占据重要的地位,这也是不断改进和提高各类功能性晶体和探索新功能晶体材料的基础。
人工晶体的制备方法,晶体生长方法分类,水热法生长的水晶晶体,助溶剂法生长KTP晶体,提拉法生长YAG晶体,焰融法生长金红石,人工晶体的制备方法,晶体生长技术在合成晶体中具有极其重要的地位。
由于晶体可以再气相、液相和固相中生长,不同的晶体又有不同的生长方法和生长条件,加上应用对人工晶体的要求十分苛刻,如尺寸从直径在微米量级的单晶纤维到直径达50cm,重达数百公斤的大晶体,这样就造成了合成晶体生长方法和技术的多样性以及生长条件和设备的复杂性。
人工合成的金刚石粒度较小,大多仅半个毫米左右。
砂轮与切割机的锯片所要求的金刚石颗粒很小,约几百目,称之为金刚石磨料,所以人工合成金刚石主要应用在工业方面。
目前,美国已能合成出两克拉重的金刚石,约56mm大小。
但因生长条件苛刻,周期长,其成本比天然金刚石还昂贵。
人工晶体实例
(一):
单晶硅,单晶硅的性质,单晶硅的主要用途,单晶硅的制备,单晶硅的发展现状,主要内容:
晶体硅的金刚石结构,单晶硅的性质,熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅具有准金属的物理性质,有较弱的导电性,其电导率随温度的升高而增加,有显著的半导电性。
超纯的单晶硅是本征半导体。
在超纯单晶硅中掺入微量的A族元素,如硼可提高其导电的程度,而形成p型硅半导体;如掺入微量的A族元素,如磷或砷也可提高导电程度,形成n型硅半导体。
单晶硅的主要用途,单晶硅是一种比较活泼非金属元素,是晶体材料的重要组成部分,处于新材料发展的前沿。
它是制造半导体硅器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。
单晶硅太阳能电池板,太空中单晶硅的应用,AMD处理器,太阳能电池的制作流程,单晶硅的主要用途,其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。
由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势,近三十年来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
单晶硅的制备,单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅,然后用直拉法(Czochralski法)或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶硅主要用于制作半导体元件。
制备单晶硅,人工加热石英砂和碳SiO2+CSi+CO2,冶金级硅(反应后蒸馏纯化三氯硅烷)Si+3HClSiHCl3+H2,三氯硅烷还原成硅2SiHCl3+2H22Si+6HCl,电子级硅(EGS),单晶硅的制备
(1):
硅的纯化,单晶硅的制备
(2):
直拉法制备单晶硅,直拉法即切克劳斯基法(Czochralski简称Cz法)它是通过电阻加热,将装在石英坩埚中的多晶硅熔化,并保持略高于硅熔点的温度,将籽晶浸入熔体,然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体。
1电极;2硅熔体;3等径生长;4观察孔;5放肩;6缩颈;7图像传感器;8卷轴旋转系统;9提拉绳;10真空泵;,11光学系统;12石英坩埚;13石墨支撑基座与旋转器;14石墨发热体;15隔热层,长晶炉剖视图,单晶硅的制备
(2):
直拉法制备单晶硅制备设备,单晶硅的制备
(2):
直拉法制备单晶硅制备步骤,
(1)熔料。
将坩埚内多晶料全部熔化;
(2)引晶。
将籽晶放下经烘烤后,使之接触熔体,籽晶向上提拉,控制温度使熔体在籽晶上结晶;(3)缩颈。
目的在于减少或消除位错,获得无位错单晶。
(4)放肩。
使单晶长大到所需要的直径尺寸。
(5)等径。
单晶保持圆柱形生长。
(6)收尾。
将单晶直径逐渐缩小,最后呈锥形,以避免位错反延伸。
单晶硅的制备
(2):
直拉法制备单晶硅基本特点,CZ直拉法的基本特点是工艺成熟,便于控制晶体外形和电学参数,投料量大,调整热场方便,容易获得较为合理的径向和轴向温度梯度,适于生长大直径单晶。
主要缺点是难以避免来自坩埚和石墨加热器等装置的沾污,因而只能生长中、低阻单晶,碳、氧含量高。
单晶硅的发展现状,单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。
在地壳中含量达25.8%的硅元素,为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。
近年来,各种晶体材料,特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展,成为当代信息技术产业的支柱,并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。
单晶硅作为一种极具潜能,亟待开发利用的高科技资源,正引起越来越多的关注和重视。
与此同时,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家正掀起开发利用太阳能的热潮并成为各国制定可持续发展战略的重要内容。
人工晶体实例
(二):
砷化镓半导体的后起之秀,砷化镓的性质,砷化镓的主要用途,砷化镓的制备,砷化镓的发展现状,主要内容:
砷化镓的性质,一种重要的半导体材料。
属-族化合物半导体。
化学式GaAs,分子量144.63,属闪锌矿型晶格结构,晶格常数5.6510(-10)m,熔点1237,禁带宽度1.4电子伏。
砷化镓于1964年进入实用阶段。
砷化镓的主要用途,砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、光子探测器等。
作为半导体材料,GaAs的综合性能优于Si,开关速度仅为10(-12)s(而Si为10(-9s),电子迁移率比硅大56倍,用GaAs芯片制造计算机将使运算速度提高千倍.是超级计算机、光信号处理和卫星直接广播接收的理想材料。
用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。
虽然砷化镓具有优越的性能,但由于它在高温下分解,故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料,技术上要求比较高。
砷化镓的制备:
液态密封法,液态密封法LEC、LEP。
是对Cz技术的一项重大改进。
基本原理:
用一种惰性液体覆盖着被拉制材料的熔体,生长室内充入惰性气体,使其压力大于熔体的离解压力,以抑制熔体中挥发性组元的蒸发损失,这样就可按通常CZ技术拉制单晶。
砷化镓的制备:
液态密封法制备设备,高压单晶炉,砷化镓的制备:
液态密封法工艺流程,装料:
一石英杯装Ga,一石英安瓶装As,石英坩埚中装B2O3。
抽真空下,B2O3加热脱水(9001000),Ga杯,As瓶烘烤除去氧化膜。
降温至600700,将Ga倒入坩埚内沉没在B2O3下,充Ar气。
As安瓶下端的毛细管尖插入Ga液中,升温至合成温度,As受热气化溶入Ga内生长GaAs。
拔出安瓶管,并安Cz拉晶步骤拉制GaAs晶体。
砷化镓的发展现状,作为第二代半导体,砷化镓单晶因其价格昂贵而素有“半导体贵族”之称。
2001年7月31日,中国科学家宣布已掌握一种生产这种材料的新技术,使中国成为继日本、德国之后掌握这一技术的又一国家。
北京有色金属研究总院宣布,国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓单晶。
2010年5月,新一期英国自然杂志报告说,美国研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术,克服了成本上的瓶颈,从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。
不过,该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓晶片,如边长500微米的太阳能电池单元。
下一步研究将致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
人工晶体生长方法发展至今已有上百年的历史,今天,凡是天然产出的晶体(3300余种)几乎都可以用人工的方法合成,并且还可以大量培育出(几十类、几百种)天然不产出的新晶体。
虽然,自然界产出的晶体几乎都可以用人工的方法合成,但这并不意味着晶体生长方法和技术已达到了完善的地步,从某种意义上说,还相差甚远,特别是用于各种高新技术领域中的晶体材料,对质量的要求越来越高(如:
半导体材料,要求纯净度达13个9%)。
因此,对生产方法和技术也要不断进行深入研究。
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