单晶生长方法介绍

1、1、普通降温法生长单晶普通降温法生长单晶l 是溶液法制备单晶中最简单的一种，适合实是溶液法制备单晶中最简单的一种，适合实验室制备单晶。最初用于生长验室制备单晶。最初用于生长二磷酸腺甙二磷酸腺甙(ADP， 1947年英国人托德合成，一种人工年英国人托德合成，一种人工生物单晶体生物单晶体) 、磷酸二氢钾磷酸二氢钾(KDP )、磷酸二磷酸二氘钾氘钾(DKDP）等的单晶体。）等的单晶体。l KDP和和DKDP晶体均具有光电子性能、非线晶体均具有光电子性能、非线性性能和高压光学性能，还具有高的激光损性性能和高压光学性能，还具有高的激光损伤阈和高的光学均一性，已经被广泛用作伤阈和高的光学均一性，已经被广泛

2、用作Nd:YAG和和Nd:YLF（LiYF4）激光器产生的）激光器产生的 第第2、3、4谐波的频率倍增器。谐波的频率倍增器。单晶生长方法介绍单晶生长方法介绍降温法制备单晶装置示意图降温法制备单晶装置示意图 水浴育晶装置水浴育晶装置擎晶杆擎晶杆 2. 晶体晶体 3.转动密封装置转动密封装置 4. 浸没式加热器浸没式加热器 5. 搅拌器搅拌器 6. 控制器控制器 7. 温度计温度计 8. 育晶器育晶器 9. 有孔隔板有孔隔板 10. 水槽水槽2、蒸发法生长单晶蒸发法生长单晶 属于溶液法，适合实验室制备单晶。属于溶液法，适合实验室制备单晶。原理：将置有晶核的高温液体体系，在蒸发冷原理：将置有晶核的高

3、温液体体系，在蒸发冷却器的作用下冷却，获得单晶。却器的作用下冷却，获得单晶。特点：较简单特点：较简单 成本较普通降温法高成本较普通降温法高 可制备规则单晶可制备规则单晶主要仪器：擎晶装置主要仪器：擎晶装置 蒸发冷却器蒸发冷却器（可组装）（可组装）种类很多，原理和作用是利用液体蒸发产生的温降使晶体生长，液体称为载冷剂，有水、醇类等。蒸发法育晶装置蒸发法育晶装置 底部加热器底部加热器 晶体晶体 冷凝器冷凝器 冷却水冷却水 虹吸管虹吸管 量筒量筒 接触控制器接触控制器 温度计温度计 1. 1. 水封水封蒸发法制备单晶示意图蒸发法制备单晶示意图3 、水热合成法水热合成法u原理原理： 用高温高压的溶液将

4、溶质溶解，降温，溶液用高温高压的溶液将溶质溶解，降温，溶液 过饱和后使溶过饱和后使溶 质析出，长成单晶。质析出，长成单晶。 水的作用水的作用：转递压力，提高原料溶解度：转递压力，提高原料溶解度 1928年，德国的科学家理查德年，德国的科学家理查德纳肯（纳肯（Richard Nacken）创立。主要用来生产水晶和大多数矿物。创立。主要用来生产水晶和大多数矿物。u特点特点：水热反应釜水热反应釜 u主要仪器主要仪器：水热反应釜：水热反应釜水热法生长晶体示意图水热法生长晶体示意图水热法生长晶体装置水热法生长晶体装置u* 石英单晶的用途：石英单晶的用途： 雷达、声纳仪、雷达、声纳仪、 压电传感器、压电传

5、感器、X-射线单色器射线单色器 * 制备条件：制备条件： 介质介质 釜内工作压力釜内工作压力130165MPa多晶原料多晶原料NaOH溶液溶液 （0.1M ）籽晶籽晶热端热端400 C冷端冷端360 C水热法制备石英单晶水热法制备石英单晶 u 例：水热合成法制备石英单晶例：水热合成法制备石英单晶水热法生长水热法生长的石英单晶的石英单晶 4 、高温溶液法（助熔剂法）生长晶体、高温溶液法（助熔剂法）生长晶体u原理：高温下、加入助熔剂将多晶溶质溶解，然后降温，原理：高温下、加入助熔剂将多晶溶质溶解，然后降温，生长单晶。最早生长单晶。最早年，红宝石合成，但是颗粒太小。年，红宝石合成，但是颗粒太小。u特

6、点特点 1、适用性强、适用性强 2、特别适用于难熔化合物和在熔点极易挥发、高温、特别适用于难熔化合物和在熔点极易挥发、高温 有相变、非同成分熔融化合物有相变、非同成分熔融化合物 3、晶体生长慢，有少量杂质缺陷、晶体生长慢，有少量杂质缺陷 4、比较容易得到大的晶体、比较容易得到大的晶体 5、液相的存在利于晶体的生长，故没有太多的晶核，更、液相的存在利于晶体的生长，故没有太多的晶核，更 有利于生成单晶有利于生成单晶 6、可以降低单晶生长的温度、可以降低单晶生长的温度用于生产磷酸氧钛钾用于生产磷酸氧钛钾 (KTP)具有大的非线性系数，大的容许温度和容许角具有大的非线性系数，大的容许温度和容许角度，激

7、光损伤阈值较高，化学性质稳定，不潮解，度，激光损伤阈值较高，化学性质稳定，不潮解，机械强度适中，倍频转化效率高达机械强度适中，倍频转化效率高达70以上等特性，以上等特性，是中小功率固体绿光激光器的最好倍频材料。是中小功率固体绿光激光器的最好倍频材料。主要性能：主要性能：透过波段：透过波段： 0.354.5m电光系数：电光系数： 33=36Pm/V折射率：折射率： nx=1.7377,ny=1.7453,nz=1.82971064nm激光损伤阈值：激光损伤阈值： 2.2GW/cm21064 nm 非线性光学系数：非线性光学系数： d33=13.7Pm/V倍频转化效率：倍频转化效率： 4570%应

8、用范围：应用范围：用于各种固体激光系统，特别是用于各种固体激光系统，特别是Nd : YAG 激光器的倍频和光参量振荡，集成激光器的倍频和光参量振荡，集成光学的波导器件。光学的波导器件。例：助熔剂法生长例：助熔剂法生长单晶单晶 5 溶胶凝胶法溶胶凝胶法凝胶法生长凝胶法生长示意图示意图烧杯双管育晶装置烧杯双管育晶装置 Ca(NO3)2溶液溶液 Na2WO4溶液溶液 蒸馏水蒸馏水 凝胶凝胶1. CaWO4晶体晶体 双坩埚法双坩埚法微重力法微重力法磁场提拉法生产硅单晶磁场提拉法生产硅单晶液封提拉法液封提拉法生产生产GaAs单晶单晶导模提拉法生产导模提拉法生产宝石、宝石、LiNBO3单晶单晶自动提拉法生

9、产单晶、自动提拉法生产单晶、YAG等氧化物单晶等氧化物单晶u主要设备主要设备u制备过程 坩埚绝热层原料熔体单晶晶种提拉加热 )7 7 定向凝固法定向凝固法9 、火焰熔化法（、火焰熔化法（Verneuil，维尔纳叶），维尔纳叶） Schafer于于1971年提出，被认为是一种有年提出，被认为是一种有潜在价值的合成方法。可用于新化合物潜在价值的合成方法。可用于新化合物合成、单晶生长和化合物的提纯。合成、单晶生长和化合物的提纯。10、气相输运法气相输运法 其设备由一根石英管组成，在一端装其设备由一根石英管组成，在一端装有反物（固体），石英管在抽真空下熔有反物（固体），石英管在抽真空下熔封或（更常见的

10、是）充以气相输运剂的封或（更常见的是）充以气相输运剂的气体后熔封，管子在炉内，使管子沿管长气体后熔封，管子在炉内，使管子沿管长方向保持方向保持50左右的温度梯度，物质和左右的温度梯度，物质和反应生成气态物质反应生成气态物质AB，它在管的另一，它在管的另一端分解沉积出单晶体端分解沉积出单晶体A。l原理原理气相输运法生长单晶示意图气相输运法生长单晶示意图A(s) + B(g) AB(g) A(s)+B(g)水热法水热法 (1)晶体可以在远低于其熔点的温度下生长。而 且，低温下生长的热源和生长容器也较易选择。 (2)降低黏度。 (3)容易长成大块的、均匀性良好的晶体，并且有较完整的外形。 (4)在多

11、数情况下(低温溶液生长)，可直接观察晶体生长。溶液法具有以下优点：溶液法具有以下优点： (1) 组分多； (2) 影响晶体生长的因素也比较复杂； (3) 生长周期长。 (4) 低温溶液生长对控温精度要求很高，因为在一定的生长温度(T)下，温度波动(T)的影响主要取决于TT，在低温下要求T相对地小。对培养高质量的晶体，可容许的温度波动一般不超过百分之几度，甚至是千分之几度。溶液法的缺点：溶液法的缺点：单晶生长技术单晶生长技术熔体生长熔体生长气相生长气相生长溶液生长溶液生长固相生长（金刚石）固相生长（金刚石）提拉法提拉法坩埚下降法坩埚下降法阴极溅射法阴极溅射法激光基座法激光基座法区熔法区熔法焰熔法焰熔法双坩埚法双坩埚法微重力法微重力法焰熔法磁场提拉法焰熔法磁场提拉法液封提拉法液封提拉法导模提拉法导模提拉法自动提拉法自动提拉法分子束法分子束法升华凝结法升华凝结法金属有机物金属有机物(MOCVD)(