单晶材料的制备必须排除对材料性能有害的杂质 原子和晶体缺陷。低杂质含量、结晶完美的单晶材料 多由熔体生长得到。
(1)从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是说， 只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水在温度低于零摄氏度时 结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。 (2)从熔体中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。其方式 有： – 1)温度降低，如岩浆期后的热桩越远离岩浆源则温度将渐次降 低，各种矿物晶体陆续析出. – 2)水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶出来. – 3)通过化学反应，生成难溶物质。
Nonlinear Optical Crystal (LiB3O5)
Scintillating Crystal (HgI).
Scintillating Crystal (Bi4Ge3O12)
直拉法(Czochralski 法)
特点:所生长的晶体的质量高，速度快。 熔体置于坩埚中，一块小单晶，称 为籽晶，与拉杆相连，并被置于熔体的 液面处。加热器使单晶炉内的温场保证 坩埚以及熔体的温度保持在材料的熔点 以上，籽晶的温度在熔点以下，而液体 和籽晶的固液界面处的温度恰好是材料 的熔点。 随着拉杆的缓缓拉伸(典型速率约 直拉法单晶生长示意图 为每分钟几毫米)，熔体不断在固液界 面处结晶，并保持了籽晶的结晶学取向。1：籽晶；2：熔体；3、4：加热器 为了保持熔体的均匀和固液界面处 高压惰性气体(如Ar)常被通入单 温度的稳定，籽晶和坩埚通常沿相反的 晶炉中防止污染并抑制易挥发元 素的逃逸. 方向旋转(转速约为每分钟数十转).
坩埚下降法（定向凝固法）
基本原理:使装有熔体的 坩埚缓慢通过具有一定温度 梯度的温场。 开始时整个物料都处于 熔融状态，当坩埚下降通过 熔点时，熔体结晶，随着坩 埚的移动，固液界面不断沿 着坩埚平移，直至熔体全部 结晶。使用此方法，首先成 核的是几个微晶，可使用籽 晶控制晶体的生长。
坩埚下降法单晶生长装置和温场示意图 1：容器；2：熔体；3：晶体；4：加热器； 5：下降装置；6：热电偶；7：热屏
区熔法
沿坩埚的温场有一个峰值， 在这个峰值附近很小的范围内温 度高于材料的熔点。这样的温场 由环形加热器来实现。 在多晶棒的一端放置籽晶， 将籽晶附近原料熔化后，加热器 向远离仔晶方向移动，熔体即在 籽晶基础上结晶。加热器不断移 动，将全部原料熔化、结晶，即 完成晶体生长过程。 悬浮区熔法不用容器，污染 较小，但不易得到大尺寸晶体。 利用溶质分凝原理，区熔法 还被用来提纯单晶材料，多次区 熔提纯后使晶体中的杂质聚集在 材料的一端而达到在材料的其他 部分提纯的目的。
液相外延生长技术示意图 1：热电偶；2：石墨料舟；3：不同组分的熔体； 4：衬底
1.2 从熔体制备非晶材料
高温熔体处于无序的状态，如果能使熔体急速地降温，以至 生长甚至成核都来不及发生就降温到原子热运动足够低的温度， 这样就可以把熔体中的无序结构“冻结”保留下来，得到结构无 序的固体材料，即非晶，或玻璃态材料。 主要的急冷技术：雾化法、急冷液态溅射、表面熔化和自淬 火法。 雾化法是将熔融金属用气流、液 体或机械方法破碎成小液滴，随后凝 固成粉末。冷却速率一般为103-105K ／s； 急冷液态溅射是将熔融金属或合 金溅射到高速旋转的具有高导热系数 的辊面上，熔体在辊面上急速降温， 形成20~50mm 厚的非晶薄带。 表面熔化和自淬火法用激光束或电 急冷液态溅射法制备非晶薄带示意图 1 一铜辊；2 一加热器；3 一熔体； 子束使合金表面一薄层(厚度<10mm)迅 4 一非晶薄带 速熔化，未熔化部分为冷体，使熔化层 迅速凝固。冷却速率可达105~108K／s。
水平和悬浮区熔法单晶生长示意图
1：仔晶；2：晶体；3：加热器；
4：熔体；5：料棒；6：料舟
液相外延(LPE) 选择合适的衬底，可以从熔体中得到单晶薄膜。
料舟中装有待沉积的 熔体，移动料舟经过单晶 衬底时，缓慢冷却在衬底 表面成核，外延生长为单 晶薄膜。在料舟中装人不 同成分的熔体，可以逐层 外延不同成分的单晶薄膜。 工艺简单，能够制备 高纯度结晶优良的外延层， 但不适合生长较薄的外延 层。
1.1 从熔体制备单晶材料
单晶材料
Basic Characteristic of Crystals
Homogeneity Under macroscopic 均一性 observation, the physics effect and chemical 同质性 composition of a crystal are the same. Anisotropy Physical properties of a 各向异性 crystal differ according to the direction of measurement.
材料合成与制备的基本途径
1.基于液相—固相转变的材料制备 2.基于固相－固相转变的材料制备 于液相—固相转变的材料制备
基于液相—固相转变的材料制备一般可分为两类： (1)是从熔体出发，通过降温固化得到固相材料，如果条件适合并且降 温速率足够慢可以得到单晶体，如果采用快冷技术可以制备非晶(玻璃 态)材料； (2)从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经 固化得到固相材料。 Single crystal: atoms are in a repeating or periodic array over the entire extent of the material Polycrystalline material: comprised of many small crystals or grains. The grains have different crystallographic orientation. There exist atomic mismatch within the regions where grains meet. These regions are called grain boundaries.