布里奇曼（Bridgman）法制备单晶体.doc

布里奇曼(Bridgman)法制备单晶体
一、引言
Bridgman在1925年发明了坩埚下降法,亦称布里奇曼(Bridgman)法,而后Stockbarger在原有的基础上发展了这种方法,因此也将其称为B-S法。该方法是目前制备大尺寸单晶和具有复杂、精细形状的晶体最常用的方法。如下图为坩埚下降法的示意图。
该方法主要是使原料在坩埚中熔化,成为熔体后再冷却凝固成晶体。熔体凝固过程是通过固-液界面的移动来实现的,目前界面的移动方式主要有:(1)坩埚移动;(2)生长炉移动;(3)降温方式。坩埚下降法是将装满原料的坩埚垂直放置在生长炉内,然后逐渐下降坩埚,在下降的过程中坩埚通过一个区域,该区域的温度自上而下降低(该区域称为温度梯度区),熔体逐渐凝固。使用底部为毛细管状的坩埚,或在坩埚底部放置籽晶都可以很好的生长出单晶;对于具有挥发性的材料可以将坩埚密封;采用石墨衬里或是涂层,可以防止晶体生长过程中粘附在坩埚壁上。梯度区
0
H(mm)
高温区
低温区
T(℃)
目前碱金属、碱土金属的卤化物晶体(比如NaI、CaF2等)大部分是采用坩埚下降法来生长,不仅能够生长出大尺寸的单晶体,而且还可以生长具有复杂、特殊形状的晶体。
坩埚下降法的优点主要有:(1)所生长的晶体形状由坩埚而定,可以根据需要来设计坩埚形状,因此适合于生长具有复杂形状的晶体;(2)不仅可以在坩埚底部放置籽晶定向生长晶体,还可以将坩埚底部设计成毛细管状,使熔体在坩埚的底部首先自发形核,根据几何淘汰原理生长出单晶;
(3)适合生长尺寸较大的单晶体,经过人们改进的生长炉,在相同条件下一次可以生长多根尺寸不同的晶体;(4)生长工艺简单易于操作,便于产业后实现生长过程的自动化和程序化。
二、实验目的
掌握晶体生长温场测量的实验技能;
掌握根据温场测量结果调节温场的原理和方法;
布里奇曼法制备单晶体的原理与方法;
掌握布里奇曼法制备单晶的实验技能;
培养学生动手能力。
三、实验原理
布里奇曼法是生长大尺寸晶体的一种主要方法。该方法是从熔体中生长晶体,通过温度过冷实现晶体凝固,完成晶体生长。
为了解布里奇曼的晶体炉构造及其对晶体生长的影响,对于特定的晶体炉,需首先完成温场的调节与控制。测量温场的方法主要有两种,一是在晶体炉的不同部位同时布置多根热电偶,然后待温场恒定后进行测量,这是了解静态温场的最佳办法。另一种方法是用一根或少数几根热电偶固定在一根引下管上,然后待温场恒定后开始以晶体生长的速度下降引下管,然后测量不同时间、不同位置的温度,这是了解动态温场的主要办法。
布里奇曼法的炉膛纵向方向上可划分高温区、温度梯度区和低温区,高温区用来熔化原料,温度梯度区用来生长晶体,所以温场的测定位置必须覆盖高温区、温度梯度区和低温区。晶体生长关键的是要保证固液界面的等温线处在温度梯度区。
四、实验原料和实验设备
1、实验原料
LaBr3 (4N)、CeBr3 (4N)
2、实验设备
晶体生长炉;控温仪;坩埚;引下管;K型热电偶
五、工艺过程
1)测定动态温场
在引下管的上端和下端分别固定1根K型热电偶,上端和下端热电偶的距离为15cm,起始时上端和下端热电偶均处在高温区,热电偶同时还与测温仪相连接。然后升高炉温,待温场恒定后以特定的速度下降引下管,直到引下管的上端