材料制备方法考点总结

材料制备方法重点整理第1章单晶材料的制备1.单晶材料的四种制备方法①气相法生长单晶vaporphase②溶液法生长单晶aqueousphase③熔体法生长单晶melt④熔盐法生长单晶moltenflux2.气相法生长单晶①升华Sublimation-Condensation：将固体沿着温度梯度通过，晶体在管子的冷端从气相中生长的方法。【常压升华（约1atm)：As、P、CdS减压升华（1atm):ZnS、CdI2、HgI2】②蒸气运输法Vaportransportgrowth：在一定的环境相下，利用载气来帮助源的挥发和输运，从而促进晶体生长的方法。（常用载气：卤素W+3Cl2→WCl6）③气相反应法Vaporreactiongrowth：各反应物直接进行气相反应从而生成晶体的方法。例：GaCl3+AsCl3+H2→3GaAs+6HCl3.溶液法生长单晶①溶液蒸发法：通过溶剂挥发的手段促进晶体析出②溶液降温法：在较高温度下制备出饱和溶液，利用溶解度随着温度下降而降低的原理，促进晶体析出③水热法：在高温高压下的过饱和水溶液中生长单晶的方法。主要装置为：高压釜。例子：水晶，刚玉，方解石，氧化锌以及一系列的硅酸盐，钨酸盐和石榴石等。④温差水热法：高压釜内部因上下部分的温差产生对流，将高温的饱和溶液带至籽晶区形成过饱和溶液而结晶。冷却析出部分溶质的溶液又流向高温区，溶解原料。循环往复至单晶生长完成。（图见右）4.熔体法生长单晶①提拉法Czochralskimethod（会画示意图）提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在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。提拉法的生长工艺首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。优点：1）可以直接观察晶体的生长情况，为控制晶体外形提供了有利条件。2）晶体在熔体的自由表面处生长，不与坩埚接触，能够显著减小晶体的应力，并防止坩埚壁上的寄生成核。3）使用定向籽晶或得特定取向的单晶体，降低位错密度，提高晶体的完整性。缺点：1）一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染。2）当熔体中更含有易挥发物时，则存在控制组分的困难。②坩埚法Bridgemanmethod（会画示意图）熔体在坩埚中逐渐冷却而生长单晶，坩埚可以垂直或水平放置。制备过程为，在一定的温度梯度场中移动坩埚，或者坩埚固定，移动加热炉或者降温。优点：设备相对简单，生长很大直径单晶，形状可通过设计坩埚来限制，可以在封闭体系中进行，防止挥发性物质挥发。缺点：不易观察，生长时有来自于坩埚的压力。③区熔法（Zonemeltingmethod）1）水平区熔法：与水平B-S方法类似，但熔区被限制在一个很小的狭窄范围内，绝大多数材料处于固态。特点：提纯加单晶生长浮区法：多晶原料棒竖直放置，原料棒中有一小片熔化区域，靠表面张力维系，熔区不断下移，完成单晶生长。特点：无坩埚技术④熔盐法生长：单晶在助熔剂辅助下形成高温溶液，并从熔融状态下生长单晶的方法，原理与溶液法类似。倒转法：坩埚倾斜法：第2章薄膜材料的制备1.薄膜材料的四种制备方法①物理气相沉积Physicalvapordeposition②化学气相沉积Chemicalvapordeposition③化学溶液镀膜法④外延制膜法2.薄膜形成机理①核生长型：到达衬底的沉积原子首先凝聚成核，后续原子不断聚集在核附近，使核沿3维方向上不断长大形成岛。周围的岛不断扩大形成连续薄膜。（衬底与薄膜晶格不相匹配时出现）②层生长型：沉积原子在衬底表面以单原子层的形式覆盖衬底，然后在三维方向上覆盖第二层，第三层。（衬底与薄膜晶格相匹配时出现）。。③层核生长型：前两者的混合3.物理气相沉积Physicalvapordeposition（PVD）①真空蒸镀法：将沉积室抽真空，利用蒸发源对沉积材料进行加热，蒸发并沉积于基片上蒸发源类型Heatingmethods：1）电阻丝Resistanceheating2）电子束Electronbeamheating3）射频感应Highfrequencyheating②溅射沉积Sputteringdeposition当高能粒子（通常是电场加速的正离子）冲击固体表面时，固体表面的原子，分子与这些高能粒子交换能量，从而由固体表面飞溅出来，最终在衬底上沉积成膜。1）磁控溅射Magnetronsputtering：阴极靶附近建立一环状磁场，提高溅射效率和控制二次电子运动，靶材的利用率不高2）离子束溅射：采用单独的离子源来轰击靶材的镀膜方法，真空度比磁控溅射高，膜质量高，膜生长速度慢，不适合大面积工作③离子镀法：镀膜时，采用带能离子轰击衬底表面和膜层的镀膜技术。目的：改善膜层的性能和质量。特点：在较低温度下镀膜并且膜层附着性良好。4.化学气相沉积ChemicalVaporDeposition（CVD）基本原理：在一个加热的衬底表面上，通过一种或几种元素或化合物产生的化学反应，从而形成不挥发的固态膜层的过程。（过程：扩散吸附反应沉积解吸扩散）前提条件：1）前驱体有高蒸汽压2）副产物易挥发3）基板和产物有低蒸汽压分类：1）普通CVD2）等离子化学气相沉积（PECVD）3）光化学气相沉积（PCVD）借助于光能使反应气体分子分解，而不电离的技术。几种化学气相沉积法反应类型：1）热分解反应2）氢还原反应3）氧化反应4）金属还原反应5）渗碳反应6）氮化反应优缺点：（PVD正好与之相反）优点：1）基板可以是复杂3-D结构2）反应设备对真空度要求不高缺点：1）衬底高温不稳定2）有毒前驱体与副产物5.化学溶液镀膜SolutionPlating①化学镀Electrolessplating：利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用，在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。还原剂reducingagent自催化auto-catalytic②浸镀Immersionplating1）无需外加还原剂Noreducingagent2）膜质地疏松Lowquality3）络合剂改性Improvedwithligands③水解镀膜Hydrolysisplating过程：氧化物膜胶体膜镀液无机盐脱水水解有机溶剂④阳极氧化镀膜Anodicoxidation特点：1）基板是阳极2）石墨或相应的金属是阴极3）直流电4）氧化物镀层在基板外⑤电镀Electroplating特点：1）基板是阴极2）原料是阳极3）直流电4）络合物改性薄膜性质6.外延法镀膜（Epitaxy）在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层同质外延homoepitaxy异质外延Heteroepitaxy外延技术分类：1）液相外延2）气相外延（化学气相沉积的特殊形式）3）分子束外延MBE（真空蒸镀沉积的特殊形式）第3章非晶态材料的制备1.非晶态材料的特征a)在近邻和次近邻原子间的键合具有一定的规律性，短程有序。b)衍射花样中只呈现较宽的晕和弥散的环，无衍射斑点，电镜看不到晶粒，晶界晶格缺陷。c)温度升高时，在某个很窄的温度区域发生结构相变，即非晶态是一种亚稳态结构。2.非晶态材料的制备原理：有足够快的冷却速率并冷却到材料的再结晶温度以下。两大技术关键：1）形成原子或分子混乱排列的状态。2）将这种热力学亚稳态在一定的温度范围内保存下来。3.非晶态材料的制备方法：1）粉末冶金法2)气相直接凝聚法3）液体急冷法第4章陶瓷材料的制备1.陶瓷制备的三个阶段：坯料Greenceramics→成型Shapingandforming→烧结Sintering2.坯料的质量要求：1）坯料的成分应和配方一致2）各组分混合均匀3）颗粒度符合要求4）致密化5）对于可塑性强的粘土原料，预烧必不可少3.成型技术①可塑法（plasticforming）：加入水分或塑化剂，将坯料混合，制成有塑性的料团。②注浆法（casting）：将浆料注入具有吸水性能的模具而得到坯体的成型方法。③压制法（compaction）：将含有少量水分和添加剂的粉料在金属模具中用较高的压力压制成型的工艺4.烧结技术烧结是指在高温下发生一系列的物理和化学反应，形成预期的矿物组成的显微结构，通过物质传递变成致密的具有一定强度和固定外形的陶瓷。分类：1）固相烧结2）液相烧结第5章复合材料的制备1.成型工艺①接触低压成型工艺②拉挤成型工艺③模压成型工艺④缠绕成型工艺⑤铺放成型工艺⑥RTM成型工艺