4.5晶体生长.ppt

二螺旋生长理论 弗朗克等人在研究气相中晶体的生长时，估计体系过饱和度不小于25—50％。然而在实验中却难以达到,并且在过饱和度小于2％的气相中晶体亦能生长。这种现象并不是层生长理论所能解释的。 为了解决理论与实际的矛盾,他们根据实际晶体结构的各种缺陷中最常见的位错现象，在1949年提出了晶体的螺旋生长理论。 内容: 晶体生长界面上螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。 证实了螺旋生长理论 1.晶体生长的一般方法(掌握) 晶体是在物相转变的情况下形成的。 物相有三种，即气相、液相和固相。 由气相、液相?固相时形成晶体， 固相之间也可以直接产生转变。  晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处理平衡态问题，若系统处于准平衡状态，可使用热力学的平衡条件来处理问题 相平衡条件：各组元在各相的化学势相等 热平衡条件：系统各部分温度相等 力学平衡条件：系统各部分压强相等 4.5 晶体生长 (1)固相生长:固体?固体 在具有固相转变的材料中进行 石墨?金刚石 通过热处理或激光照射等手段，将一部分结构不完整的晶体转变为较为完整的晶体 微晶硅?单晶硅薄膜 (2)液相生长:液体?固体 溶液中生长 从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体. 可在低于材料的熔点温度下生长晶体，因此它们特别适合于制取那些熔点高，蒸汽压大，用熔体法不易生长的晶体和薄膜； 如GaAs液相外延(LPE-liquid phase epitaxy) 熔体中生长 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。  可生长纯度高，体积大，完整性好的单晶体，而且生长速度快，是制取大直径半导体单晶最主要的方法 我国首台12英寸单晶炉研制成功 (070615),所制备的硅单晶主要用于集成电路元件和太阳能电池 (3)气相生长:气体?固体 ?从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 例子: 在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。 雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体 气体凝华:物质从气态直接变成固体 2.晶体形成的热力学条件 1.气固相转变 定义?=p1/p0 为饱和比, 即初态压强/末态压强 ? = ?-1 过饱和比, 相变条件: p1?p0,或者? ? 1 (即有一定的过饱和度) 2.液固相转变过程 (1)溶液中生长 相变发生,有一定的过饱和度 C1 ? CO, C1: 一定温度T,压力P,溶质浓度 CO:一定温度T,压力P,饱和溶液浓度 (2)熔体中生长 △T?0,相变发生,有一定的过冷度 过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态，这种现象称为过冷。 过冷度：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为过冷度 。 ΔT = Tm － T (Tm理论凝固温度)。 相变时能量的转化 固体与晶体的转化：转变潜热 固体与液体的转化：熔解潜热 液体与气体的转化：蒸发潜热 固体与气体的转化：升华潜热 任一潜热L都与系统压力、体积、温度等条件有关 3.晶核的形成(理解) 热力学条件满足后,晶体开始生长 晶体生长的一般过程是先形成晶核,然后再逐渐长大. 三个生长阶段: 介质达到过饱和或者过冷却阶段 成核阶段nucleation(均匀成核,非均匀成核) 生长阶段crystal growth 一般规律 晶核形成速度快，晶体生长速度慢 晶核数目多，最终易形成小晶粒 晶核形成速度慢，晶体生长速度快 晶核数目少，最终易形成大晶粒 注意：整个晶化过程，体系处于动态变化状态 一 :均匀成核(自发成核) 在过饱和,过冷度条件下,依靠自身原子形成的晶核 1.单个晶核的形成 晶胚: 能量较低的分子形成具有结晶相的有序结构的分子聚集体,成为晶胚 晶核: 成为结晶生长中心的晶胚 能量变化 在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此总的自由能变化量为： 其中ΔGV为单位体积内固液自由能之差，V为晶体的体积， 一个细小的晶体出现后，是否能长大， 决定于在晶体的