[科普中國(guó)]-坩堝下降法

該方法的創(chuàng)始人是Bridgman，他于1925年發(fā)表了論文。Stockbarger又發(fā)展了他的方法。該方法也稱為B-S法。該法的特點(diǎn)是讓熔體在坩堝中冷卻而凝固。凝固過程雖然都是由坩堝的一端開始而逐漸擴(kuò)展到整個(gè)熔體，但方式不同。坩堝可以垂直放置，熔體自下而上凝固，或自上而下凝固。一個(gè)籽晶插入熔體上部，這樣，在生長(zhǎng)初期，晶體不與鍋壁接觸，以減少缺陷。坩堝也可以水平放置（使用“舟”形坩堝）。凝固過程中可通過移動(dòng)固-液界面來(lái)完成，移動(dòng)界面的方式是移動(dòng)坩堝或移動(dòng)加熱爐或降溫均可。

簡(jiǎn)介坩堝下降法又稱布里奇曼晶體生長(zhǎng)法。一種常用的晶體生長(zhǎng)方法。用于晶體生長(zhǎng)用的材料裝在圓柱型的坩堝中，緩慢地下降，并通過一個(gè)具有一定溫度梯度的加熱爐，爐溫控制在略高于材料的熔點(diǎn)附近。根據(jù)材料的性質(zhì)加熱器件可以選用電阻爐或高頻爐。在通過加熱區(qū)域時(shí)，坩堝中的材料被熔融，當(dāng)坩堝持續(xù)下降時(shí)，坩堝底部的溫度先下降到熔點(diǎn)以下，并開始結(jié)晶,晶體隨坩堝下降而持續(xù)長(zhǎng)大。這種方法常用于制備堿金屬和堿土金屬鹵化物和氟化物單晶。

基本原理坩堝下降法一般采用自發(fā)成核生長(zhǎng)晶體，其獲得單晶體的依據(jù)就是晶體生長(zhǎng)中的幾何淘汰規(guī)律，在一根管狀容器底部有三個(gè)方位不同的晶核A、B、C，其生長(zhǎng)速度因方位不同而不同。假設(shè)晶核B的最大生長(zhǎng)速度方向與管壁平行，晶核A和C則與管壁斜交。在生長(zhǎng)過程中，A核和C核的成長(zhǎng)空間因受到B核的排擠而不斷縮小，在成長(zhǎng)一段時(shí)間以后終于完全被B核所湮沒，最終只剩下取向良好的B核占據(jù)整個(gè)熔體而發(fā)展成單晶體，這一現(xiàn)象即為幾何淘汰規(guī)律。

優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1、 由于可以把原料密封在坩堝里，減少了揮發(fā)造成的泄漏和污染，使晶體的成分容易控制。

2、 操作簡(jiǎn)單，可以生長(zhǎng)大尺寸的晶體?？缮L(zhǎng)的晶體品種也很多，且易實(shí)現(xiàn)程序化生長(zhǎng)。

3、 由于每一個(gè)坩堝中的熔體都可以單獨(dú)成核，這樣可以在一個(gè)結(jié)晶爐中同時(shí)放入若干個(gè)坩堝，或者在一個(gè)大坩堝里放入一個(gè)多孔的柱形坩堝，每個(gè)孔都可以生長(zhǎng)一塊晶體，而它們則共用一個(gè)圓錐底部進(jìn)行幾何淘汰，這樣可以大大提高成品率和工作效率。

缺點(diǎn)1、 不適宜生長(zhǎng)在冷卻時(shí)體積增大的晶體。

2、 由于晶體在整個(gè)生長(zhǎng)過程中直接與坩堝接觸，往往會(huì)在晶體中引入較大的內(nèi)應(yīng)力和較多的雜質(zhì)。

3、在晶體生長(zhǎng)過程中難于直接觀察，生長(zhǎng)周期也比較長(zhǎng)。

4、若在下降法中采用籽晶法生長(zhǎng)，如何使籽晶在高溫區(qū)既不完全熔融，又必須使它有部分熔融以進(jìn)行完全生長(zhǎng)，是一個(gè)比較難控制的技術(shù)問題。

總之，B－S法的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠制造大直徑的晶體(直徑達(dá)200mm)，其主要缺點(diǎn)是晶體和坩堝壁接觸容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生成核。

應(yīng)用領(lǐng)域坩堝下降法主要用于生長(zhǎng)堿金屬和堿土金屬的鹵族化合物(例如CaF2、LiF、NaI等)以及一些半導(dǎo)體化合物 (例如AgGaSe2、AgGaS2、CdZnTe等)晶體。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)