晶体提拉法PPT课件

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1、晶体提拉法生长仿祖母绿合成品晶体提拉法生长仿祖母绿合成品第1页/共48页晶体提拉法生长红宝石的合成品第2页/共48页晶体提拉法生长无色蓝宝石晶体提拉法生长无色蓝宝石第3页/共48页第4页/共48页晶体提拉法生长宝石的设备实物图晶体提拉法生长宝石的设备实物图第5页/共48页 提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。 主要用于合成蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。1. 晶体提拉法的简介晶体提拉法的简介第6页/共48页 基本原理： 提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接种晶

2、提拉熔体，在受控条件下，使种晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。 第7页/共48页2 晶体提拉法生长设备的介绍YAG生长设备1.保温加热系统第8页/共48页 加热系统由加热、保温、控温三部分构成。 最常用的加热装置分为电阻加热和高频线圈加热两大类。 采用电阻加热，方法简单，容易控制。保温装置通常采用金属材料以及耐高温材料等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温装置。 控温装置主要由传感器、控制器等精密仪器进行操作和控制。加热系统加热系统第9页/共48页3.坩锅传动系统气氛控制系统2.后热器第10页/共48页 为了获得稳定

3、的旋转和升降，传动系为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。传动系统 不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。如钇铝榴石和刚玉晶体需要在氩气气氛中进行生长。该系统由真空装置和充气装置组成。气氛控制系统第11页/共48页后热器的后热器的主要作用主要作用是调节晶是调节晶体和熔体体和熔体之间的温之间的温度梯度度梯度。第12页/共48页 后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、 陶瓷或多层金属反射器如钼片、铂片等制成。通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在后热器中冷却至室温。后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制

4、晶体的直径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。后热器第13页/共48页3 晶体提拉法生长工艺A 生长过程。B 直径自动控制。（ADC技术）C 材料挥发的控制。D 温场的选择与控制。E 生长速率的控制。 第14页/共48页A 晶体生长过程第15页/共48页第16页/共48页第17页/共48页B 直径自动控制（ADC）LlL晶体等径生长时对应的弯月面角为：当时，直径扩大；反之，缩小。0LL的大小取决与材料的性质，不为 的 意味着晶体与熔体之间是非完全浸润的。弯月面光反射法：第18页/共48页C 材料挥发的控制 高温下材料的挥发，改变了熔体的化学配比，造成熔体某成分的过剩，组分过冷的改变等一系列影响。因

5、此，人们发展了液相覆盖技术和高压单晶炉。第19页/共48页液相覆盖技术 覆盖物质应具有以下性质：密度小于熔体的密度，透明，对熔体、坩埚和气氛是化学惰性的，能够浸润晶体、熔体和坩埚，并具有较大的粘度。目前，最好的覆盖物质是熔融的B2O3第20页/共48页D 温场的选择与控制 为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为防止开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯度。因此，所谓合适的温场没有一个严格的判据。 一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度（特别是界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采用小的温度梯度。因此，合适的温场的选择和控制，只能根据材料特性作出初步判断，通过实验加以解决。 加大温度梯度方法：缩

6、小熔体和熔体上方空间的距离（轴向距离）。 减小温度梯度的方法：采用适当的后热器。第21页/共48页E 生长速率的控制 提拉速度不能超过临界值，该临界值决定于材料的性质和生长参数。例如：晶体热导率Ks较高的材料比Ks较低的材料（氧化物或者是有机物）可有较大的生长率 。 生长参数：界面翻转、晶体内所允许的最大热应力 fp宏观生长率fo大于晶体的提拉速率fo(R2/R2-r2)fp R和r分别为甘埚和晶体的半径。 第22页/共48页m ax()(1) exp()()(1)eellBefD kkcTDfm ckz对 于 掺 质 的 材 料max() ()sssKKTflz为晶体的对于纯材 ：导热率料m

7、axf极限生长速率 ：第23页/共48页 4 晶体提拉法生长宝石实例 蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导体发光及集成电路的大量需要。第24页/共48页原料与工艺参数原料：白色合成蓝宝石碎块TiO2+Fe2O3， TiO2、Fe2O3配比视颜色而定。工艺参数：2050以上，转速：10-15r/min ,提拉：110mm/h第25页/共48页放肩过程中在dtdt时间内凝固的晶体质量为：22222(2)/ 2/2(/)dm

8、r dzrdrzvdz dtr dzdzrdrzzdm dtr vr d r dt式中：为高为的柱体的体积为高为 的锥环柱的体积21234exp(2)/rkk tkk解得：第26页/共48页 r r表示放肩生长出晶体的半径。上面方程表明在拉速和熔体中温度梯度不变的情况下，肩部面积随时间接指数律增加。 这就要求拉晶工作者在晶体直径达到预定尺寸前就要考虑到肩部自发增长的倾向，提前采取措施。21234exp(2)/rkk tkk第27页/共48页Al2O3放肩过程中可能出现的几种放肩过程中可能出现的几种情况情况第28页/共48页5 晶体提拉法生长宝石缺陷的形成与控制 晶体在生长(或降温)过程中所以会

9、产生缺陷，大体上是由以下几个方面的因素造成的： a 物质条件； b 热力学因素； c 分凝和组分过冷； d 温度分布和温度波动第29页/共48页a 物质条件 包括生长设备的稳定性，有害杂质的影响，籽晶。 生长设备的稳定性：生长界面的稳定性控制、生长温度的稳定性控制、中心对称性控制。 有害杂质：指的是不纯杂质和配比引起的杂质 籽晶：选用优质籽晶和采用缩颈工艺第30页/共48页b 热力学因素 1、应力：晶体中的应力一般由三种情况产生，热应力，化学应力和结构应力，当应变超过了晶体材料本身塑性形变的屈服极限时，晶体将发生开裂，一般沿着解理面开裂。 热应力:冷却速度不一致引起的 化学应力：杂质在晶体内部

10、分布不均匀引起的 结构应力：由于相变的发生引起的 2、脱溶和共析反应（较快的生长速率和较大的温度梯度（界面处）第31页/共48页 在适当的范围内，调整G和V是克服组分过冷的最有效，也是最简单的方法。可先采用较大的G来克服组分过冷，然后再用长时间的高温退火来消除GL大而产生的热应力。c 分凝和组分过冷第32页/共48页 产生温度波动波动的原因有二 1 、熔体本身的热流不稳定性造成温度的起伏和振荡。 2、 生长条件的变化。 我们把在晶体中溶质浓度的不均匀层称为生长层（条纹）。生长层是晶体生长，特别是熔体生长过程中经常出现的微观缺陷之一。 d 温度波动和生长层第33页/共48页6 晶体提拉法生长宝石

11、晶体的鉴别 1. 提拉法生长的宝石晶体，由于提拉和旋转作用，会产生弯曲的弧形生长纹。 2. 或者由于固液界面产生的振动或温度的波动，可使晶体的溶质浓度分布不均，因而形成晶体不均匀的生长条纹。 第34页/共48页旋转引起条纹旋转引起条纹第35页/共48页生长纹往往深浅不一 第36页/共48页生长条纹显微结构生长条纹显微结构第37页/共48页天然蓝宝石六边形生长纹第38页/共48页提拉法合成蓝宝石的生长纹提拉法合成蓝宝石的生长纹第39页/共48页 人造蓝宝石是在高温熔炉中生成的，结晶时间很短，没有时间沿六边形的晶形方向规则地排列，而是一层一层地增添在弧形（圆柱体的表面）宝石的表面上，并逐步形成了弯

12、曲的“圆弧形生长线”。凡是有这种圆弧形生长线或圆环形色带的蓝宝石，就一定是人造品。 第40页/共48页2. 提拉法含有气体包体，且气泡分布不均匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。第41页/共48页 3. 提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、钨或钼金属坩埚中熔化原料的，可能含有金属包体。第42页/共48页 4. 提拉法生长的宝石晶体原料在高温下加热熔化，偶尔可见未熔化的原料粉末。第43页/共48页 5. 提拉法生长的宝石晶体时，由于采用籽晶生长，生长成的晶体会带有籽晶的痕迹。并且可能产生明显的界面位错。第44页/共48页 主要优点如下： (1) 可方便地观察晶体的生长状况，有利于及时掌 握生长情况，

13、控制生长条件。 (2) 生长晶体不与坩埚接触，没有坩埚壁的寄生成核 (3) 可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺 总之，晶体提拉法生长的晶体，其完整性很高，而生长率和晶体尺寸也是令人满意例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，具有较低的位错密度，较高的光学均匀性 第45页/共48页 主要缺点如下： 高温下，坩埚及其他材料对晶体的污染容易发生。 熔体中复杂的液流对晶体的影响难以克服 机械传动装置的振动和温度的波动，会一定程度上影响晶体的质量。第46页/共48页 晶体提拉法合成金绿宝石的鉴别 1. 合成金绿宝石可见弯曲的生长纹和拉长的气泡。 2. 宝石中偶尔可见未熔化的原料粉末。 3. 在暗域照明和斜向照明下，偶尔可见板条状的杂质包体和针状包体。 4. 合成金绿宝石的折射率（1.740-1.745）稍微偏低。 5. 用电子探针和X射线荧光分析法，可检测宝石晶体中的铱或钼金属包体。第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页