材料常用制備方法

材料常用制材料常用制備備方法方法 一一 晶體生長(zhǎng)技術(shù) 1 熔體生長(zhǎng)法 melt growth method 將欲生長(zhǎng)晶體的原料熔化 然后讓熔體達(dá)到一定的 過(guò)冷而形成單晶 1 1 提拉法 特點(diǎn) a 可以在短時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)大而無(wú)錯(cuò)位晶體 b 生長(zhǎng)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(diǎn) 裝有熔體的坩堝緩慢通過(guò)具有一定溫度梯度的溫場(chǎng) 開(kāi)始時(shí)整個(gè)物料熔融 當(dāng)坩 堝下降通過(guò)熔點(diǎn)時(shí) 熔體結(jié)晶 隨坩堝的移動(dòng) 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(diǎn) a 狹窄的加熱體在多晶原料棒上移動(dòng) 在加熱體所處區(qū)域 原料變成熔體 該熔體 在加熱器移開(kāi)后因溫度下降而形成單晶 b 隨著加熱體的移動(dòng) 整個(gè)原料棒經(jīng)歷受熱熔融到冷卻結(jié)晶的過(guò)程 最后形成單 晶棒 c 有時(shí)也會(huì)固定加熱器而移動(dòng)原料棒 1 4 焰熔法 特點(diǎn) a 能生長(zhǎng)出很大的晶體 長(zhǎng)達(dá) 1m b 適用于制備高熔點(diǎn)的氧化物 c 缺點(diǎn)是生長(zhǎng)的晶體內(nèi)應(yīng)力很大 1 5 液相外延法 優(yōu)點(diǎn) a 生長(zhǎng)設(shè)備比較簡(jiǎn)單 b 生長(zhǎng)速率快 c 外延材料純度比較高 d 摻雜劑選擇范圍較廣泛 e 外延層的位錯(cuò)密度通常比它賴(lài)以生長(zhǎng)的襯底要低 f 成分和厚度都可以比較精確的控制 重復(fù)性好 操作安全 缺點(diǎn) a 當(dāng)外延層與襯底的晶格失配大于 1 時(shí)生長(zhǎng)困難 b 由于生長(zhǎng)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 溶液生長(zhǎng)法 solution growth method 使溶液達(dá)到過(guò)飽和的狀態(tài)而結(jié)晶 2 1 水溶液法 原理 通過(guò)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(guò)飽和度 從而結(jié)晶 2 2 水熱法 Hydrothermal Method 特點(diǎn) a 在高壓釜中 通過(guò)對(duì)反應(yīng)體系加熱加壓 或自生蒸汽壓 創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)高溫高 壓的反應(yīng)環(huán)境 使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解而達(dá)到過(guò)飽和 進(jìn)而析出晶體 b 利用水熱法在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)單晶的生長(zhǎng) 從而避免了晶體相變引起的物 理缺陷 2 3 高溫溶液生長(zhǎng)法 熔鹽法 特點(diǎn) a 使用液態(tài)金屬或熔融無(wú)機(jī)化合物作為溶劑 b 常用溶劑 液態(tài)金屬 液態(tài) Ga 溶解 As 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(wú)機(jī)溶劑有效地降低溶質(zhì)的熔點(diǎn) 能生長(zhǎng)其他方法不易制備的高熔點(diǎn) 化合物 如鈦酸鋇 BaTiO3 二 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(diǎn) a 真空條件下通過(guò)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(xué)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物膜 分類(lèi) 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(tuán)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(lèi) 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(diǎn) a 附著力好 濺鍍的特點(diǎn) b 高沉積速率 蒸鍍的特點(diǎn) c 繞射性 d 良好的耐磨性 耐磨擦性 耐腐蝕性 2 化學(xué)氣相沉積法 CVD Chemical Vapor Deposition 按反按反應(yīng)應(yīng)能源 能源 2 1 Thermal CVD 特點(diǎn) a 利用熱能引發(fā)化學(xué)反應(yīng) b 反應(yīng)溫度通常高達(dá) 800 2000 c 加熱方式 電阻加熱器 高頻感應(yīng) 熱輻射 熱板加熱器 2 2 Plasma Enhanced CVD PECVD 優(yōu)點(diǎn) a 工件的溫度較低 可消除應(yīng)力 b 同時(shí)其反應(yīng)速率較高 缺點(diǎn) a 無(wú)法沉積高純度的材料 b 反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不易脫附 c 等離子體和生長(zhǎng)的鍍膜相互作用可能會(huì)影響生長(zhǎng)速率 2 3 Photo CVD 特點(diǎn) a 利用光能使分子中的化學(xué)鍵斷裂而發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 沉積出特定薄膜 b 缺點(diǎn)是沉積速率慢 因而其應(yīng)用受到限制 按氣體按氣體壓壓力 力 2 1 常壓化學(xué)氣相沉積法 APCVD Atmospheric Pressure CVD 特點(diǎn) a 常壓下進(jìn)行沉積 b 擴(kuò)散控制 c 沉淀速度快 d 易產(chǎn)生微粒 e 設(shè)備簡(jiǎn)單 2 2 低壓化學(xué)氣相沉積法 LPCVD Low Pressure CVD 特點(diǎn) a 沉積壓力低于 100torr b 表面反應(yīng)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(shè)備 三 溶膠 凝膠法 Sol Gel Process 通過(guò)凝膠前驅(qū)體的水解縮合制備金屬氧化物材料的濕化 學(xué)方法 優(yōu)點(diǎn) a 易獲得分子水平的均勻性 b 容易實(shí)現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜 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(diǎn) a 原料價(jià)格比較昂貴 b 通常整個(gè)溶膠 凝膠過(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng) 常需要幾天或兒幾周 c 凝膠中存在大量微孔 在干燥過(guò)程中又將會(huì)逸出許多氣體及有機(jī)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(dāng)?shù)某恋韯?從而形成 沉淀物 1 直接沉淀法 Direct precipitation 特點(diǎn) a 操作簡(jiǎn)單易行 對(duì)設(shè)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(xué)計(jì)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 共沉淀法 Coprecipitation 特點(diǎn) a 可避免引入對(duì)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(xué)均勻性 粒度較細(xì) 顆粒尺寸分布較窄且具有一定 形貌 c 設(shè)備簡(jiǎn)單 便于工業(yè)化生產(chǎn) 3 均勻沉淀法 Homogeneous precipitation 特點(diǎn) a 沉淀劑由化學(xué)反應(yīng)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(xì)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(yīng) Solid phase reaction 分類(lèi) 按反按反應(yīng)應(yīng)物物質(zhì)質(zhì)狀狀態(tài)態(tài)分分類(lèi)類(lèi) a 純固相反應(yīng) b 有氣體參與的反應(yīng) 氣固相反應(yīng) c 有液相參與的反應(yīng) 液固相反應(yīng) d 有氣體和液體參與的三相反應(yīng) 氣液固相反應(yīng) 按反按反應(yīng)應(yīng)機(jī)理分機(jī)理分類(lèi)類(lèi) a 擴(kuò)散控制過(guò)程 b 化學(xué)反應(yīng)速度控制過(guò)程 c 晶核成核速率控制過(guò)程 d 升華控制過(guò)程等等 按反按反應(yīng)應(yīng)性性質(zhì)質(zhì)分分類(lèi)類(lèi) a 氧化反應(yīng) b 還原反應(yīng) c 加成反應(yīng) d 置換反應(yīng) e 分解反應(yīng) 特點(diǎn) a 固態(tài)直接參與化學(xué)反應(yīng) b 固態(tài)反應(yīng)一般包括相界面上的反應(yīng)和物質(zhì)遷移兩個(gè)過(guò)程 反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)的 影響很小 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不適用 c 反應(yīng)開(kāi)始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點(diǎn)或系統(tǒng)低共熔溫度 這一溫度與反應(yīng)物內(nèi) 部開(kāi)始呈現(xiàn)明顯擴(kuò)散作用的溫度相一致 常稱(chēng)為泰曼溫度或燒結(jié)開(kāi)始溫度 六 插層法和反插層法 Intercalation and deintercalation 1 插層法 或植入法 把一些新原子導(dǎo)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(diǎn) 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(duì)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(yīng)物之間 的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來(lái)合成材料的一種技術(shù) 特點(diǎn) a 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單 反應(yīng)迅速 生產(chǎn)過(guò)程時(shí)間短 b 最大限度利用材料人工合成中的化學(xué)能 節(jié)約能源 c 合成反應(yīng)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(guò)程經(jīng)歷了極大的溫度梯度 生成物中可能出現(xiàn)