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科學(xué)與技術(shù) ——  晶體增長(zhǎng)

晶體生長(zhǎng)技術(shù)是利用物質(zhì)(液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài))的物理化學(xué)性質(zhì)控制相變過(guò)程，獲得具有一定結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和性能的晶體的技術(shù)?，F(xiàn)在，人工合成晶體應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。除了人們比較熟悉的水晶、寶石等裝飾用晶體之外，其他如激光晶體、半導(dǎo)體晶體、光電子晶體、非線性光學(xué)晶體、超導(dǎo)單晶、鐵電壓電晶體、金屬單晶材料等晶體材料的發(fā)展，為科學(xué)進(jìn)步和人類(lèi)生活水平提高做出了巨大貢獻(xiàn)。

在上篇中，我們簡(jiǎn)單介紹了布里奇曼法晶體生長(zhǎng)技術(shù)。本文將進(jìn)一步介紹卡博萊特蓋羅布里奇曼晶體生長(zhǎng)爐的構(gòu)造和工藝。

卡博萊特蓋羅是專(zhuān)業(yè)制造晶體生長(zhǎng)爐和設(shè)備的廠商。公司創(chuàng)始人Roland Geiger 和 Dr. Gerd Lamprecht，都來(lái)自位于斯圖加特的Max-Planck Institut für Festk?rperfoschung晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室。

卡博萊特蓋羅布里奇曼晶體生長(zhǎng)爐構(gòu)造簡(jiǎn)介

卡博萊特蓋羅布里奇曼晶體生長(zhǎng)爐將高溫管式爐，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（包括拉伸、快速定位、旋轉(zhuǎn)）、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)集成在一起。高溫管式爐的加熱元件是二硅化鉬，垂直安裝。矩形爐殼內(nèi)的保溫材料為真空成型陶瓷纖維。爐殼上還有用于同外部對(duì)流冷卻的孔。爐子的最高溫度可調(diào)范圍大，可適用于不同熔點(diǎn)的樣品。樣品熱電偶和控溫?zé)犭娕荚谔沾晒ぷ鞴芨浇蓪?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。工作管兩端是水冷法蘭，水管都套在護(hù)套內(nèi)。工作管上面的法蘭是固定的，底部的真空螺紋管，連接著工作管和升降裝置。當(dāng)樣品向下移動(dòng)時(shí)，螺紋管開(kāi)始延伸。即使在真空下，樣品也可以向下移動(dòng)。工作管頂部連接著真空泵，如有需要也可使用惰性氣體沖刷。拉伸機(jī)構(gòu)的兩個(gè)馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)不同的齒輪比，鑒于布里奇曼生長(zhǎng)工藝，推薦0.1 – 10 mm/ h向著低溫區(qū)的位移速度。

Q如何應(yīng)用卡博萊特蓋羅布里奇曼晶體生長(zhǎng)爐進(jìn)行晶體生長(zhǎng)？

A

布里奇曼法的物理背景是熔融樣品材料，然后再結(jié)晶形成所需晶格的晶體，這個(gè)過(guò)程一定是需要坩堝的。預(yù)先合成的原材料需要提前放進(jìn)坩堝，對(duì)于最高1200°C低溫應(yīng)用，常用的是石英安瓿瓶，安瓿瓶?jī)?nèi)可以抽真空。高溫應(yīng)用采用陶瓷坩堝，是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)針對(duì)布里奇曼晶體生長(zhǎng)的自播種式陶瓷坩堝。

裝好樣品的坩堝放入精確控制晶種（子晶）溫度的布里奇曼系統(tǒng)內(nèi)，建立工藝所需的氣氛。然后加熱到一定溫度，樣品在坩堝內(nèi)融化的同時(shí)，不能讓晶種融化。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的保溫后，坩堝通過(guò)拉伸機(jī)構(gòu)以設(shè)定好的位移速度通過(guò)溫度梯度區(qū)域到低溫區(qū)。這個(gè)過(guò)程中，坩堝的尖端開(kāi)始生成結(jié)晶。在移動(dòng)的過(guò)程中，結(jié)晶變得越來(lái)越大，并主導(dǎo)后續(xù)的生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)的時(shí)間可以持續(xù)數(shù)天。晶體的成功生長(zhǎng)取決于無(wú)振動(dòng)的環(huán)境。微小的機(jī)械振動(dòng)或者是實(shí)驗(yàn)室的微小振動(dòng)都會(huì)影響晶體生長(zhǎng)。只有整個(gè)過(guò)程結(jié)束后才能看到結(jié)果。整個(gè)融化物都會(huì)形成結(jié)晶。在最后一步回火工藝時(shí)，退火溫度保持在晶體熔點(diǎn)以下。坩堝慢慢冷卻后即可從系統(tǒng)內(nèi)取下。晶體定向生長(zhǎng)完成后，一般都會(huì)切成片狀用于后續(xù)使用或分析。

弗爾德（上海）儀器設(shè)備有限公司隸屬全球技術(shù)領(lǐng)先者-弗爾德集團(tuán)旗下，提供最先進(jìn)的樣品處理與分析設(shè)備及解決方案。

旗下五大品牌：德國(guó)Retsch（萊馳）粉碎、研磨、篩分設(shè)備，德國(guó)Microtrac MRB（麥奇克萊馳）多功能粒度粒形分析儀，Carbolite?Gero（卡博萊特?蓋羅）烘箱、高溫烘箱、箱式馬弗爐、灰化爐、管式馬弗爐、氣氛馬弗爐、真空馬弗爐、高溫馬弗爐及工業(yè)定制爐，Eltra（埃爾特）碳/氫/氧/氮/硫元素分析儀，QATM（奧德鎂）切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨拋機(jī)、硬度計(jì)。

服務(wù)于全球無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)室、制造商和科研機(jī)構(gòu)，是客戶最忠實(shí)的合作伙伴。弗爾德致力于和客戶共同進(jìn)步成長(zhǎng)，為客戶提供有效可靠的產(chǎn)品、流程和工藝方法，使其能夠更安全、更高效、更持久地發(fā)展業(yè)務(wù)。我們希望通過(guò)不懈努力，不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，使世界變得更加健康和安全。