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合成云母熔体中晶体生长的一般原理

    从熔体中生长晶体是制备大单晶和特定形状单晶最常用和最重要的一种方法。电子学、光学等现代技术应用中需要的单晶材料,大部分是用熔体生长方法制得的。熔体生长具有晶体生长速率快、晶体的纯度高、完整性高等特点。目前,熔体生长工艺和技术已发展到相当成熟的程度,对生产过程的了解也日渐深入。熔制法合成氟金云母也是最典型的熔体析晶和晶体生长技术。

    通常,当一个结晶固体的温度高于其熔点时,固体就会熔融为熔体;熔体的温度低于其凝固点时,熔体就凝固成固体(往往是多晶)。因此,熔体生长过程只涉及固一液相变过程,也即熔体在受控条件下的定向凝固过程。在此过程中,原子(或分子)随机堆积数组直接转变成有序数组,这种从不对称性结构到对称性结构的转变不是一个整体效应,而是通过固一液接口而逐渐完成的。熔体析晶的目的是为了得到高质量的单晶体。为此,首先要在熔体中形成一个单晶核(从外界引入或系统自发成核),然后在晶体和熔体交界面上不断进行原子或分子的重新排列而形成单晶体。只有当晶核附近熔体的温度低于凝固点时,晶核才能继续发展。因此,要做到这一点,生长着的接口必须处于过冷状态。然而,为了避免出现新的晶核和避免生长接口的不稳定性,过冷区必须处于接口附近狭小的范围之内,而熔体的其余部分则处于过热状态。在此情况下,结晶过程中释放出来的潜热不可能通过熔体导走,而必须通过生长着的晶体导走。通常,使生长着的晶体处于较冷的环境中,由晶体的传导和表面辐射导走热量。随着接口向熔体发展,接口附近的过冷度将逐渐趋近于0,为了保持一定的过冷度,生长接口必须向低温方向不断离开凝固点等温面,只有这样,生长过程才能继续进行下去。

    另一方面,熔体温度远高于室温,为了使熔体保持适当的温度,必须由加热装置不断供给热量,以使上述传输过程中在生长系统内建立起一定的温度场(或者说形成一系列等温面),并决定了固一液界面的形状。因此,在熔体生长过程中,热量的传输问题将起着支配的作用。另外对于合成云母一类由多元成分组成的共熔化合物,在接口上会出现溶质的分凝问题。分凝问题由接口附近溶质的浓度所支配,而后者则取决于熔体中溶质的扩散和对流传输过程。因此对非均一系中的熔体生长来说,溶质的传输问题也是熔体生长过程中一个很重要的问题。

    从熔体中生长晶体的方法很多,如提拉法、坩埚移动法、高温离子交换法和熔融法等

 

 

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