晶体生长需要解决的13个问题

所谓晶体生长是物质在特定的物理和化学条件下由气相、液相或固相形成晶体的过程。人类在数千年前就会晒盐和制糖。人工模仿天然矿物并首次合成成功的是刚玉宝石（α氧化铝）。

维尔纳叶约在1890年开始试验用氢氧焰熔融氧化铝粉末，以生长宝石，这个方法一直沿用至今。

第二次世界大战后，由于天然水晶作为战略物资而引起人们的重视，科学家们又发明了水热法生长人工水晶。人们还在超高压下合成了金刚石，在高温条件下生长了成分复杂的云母等重要矿物，以补充天然矿物的不足。

20世纪50年代，锗、硅单晶的生长成功，促进了半导体技术和电子工业的发展。20世纪60年代，由于研制出红宝石和钇铝石榴石单晶，为激光技术打下了牢固的基础。

然而，要想成为一个炼“晶”术师，晶体生长中需要解决的问题不得不看。

晶体生长过程是一个典型的相变过程，因此进行晶体生长过程设计时首先需要考虑的是该相变过程在什么条件下可以发生、相变驱动力的大小与环境条件的关系，并以此为基础，选择合理的晶体生长条件。这是一个典型的热力学问题。

理想的单晶生长过程应该精确地控制到只形成一个晶核。在后续的晶体长大过程中，防止新的晶核形成也是晶体生长过程形核研究的重要课题。

在完成形核之后，晶体生长过程是通过结晶界面不断向母相中推进进行的。

结晶界面的宏观及微观形态与结晶过程的宏观传输特性相互耦合、相互影响，并对晶体的结晶质量，特别是晶体结构缺陷与成分偏析的形成具有至关重要的影响。

因此，从结晶界面弯曲特性等宏观的形貌，到结晶界面纳米到毫米尺度上的平整度等细观形貌，直至晶面原子尺度的微观结构都是晶体生长研究的重要课题。

母相中的原子或分子在结晶界面上的沉积过程、堆垛方式，以及界面上的化学反应、扩散行为等是影响晶体结构完整性的重要因素。

该过程决定着杂质与夹杂物的卷入、溶质的分凝、缺陷(点缺陷、位错、孪晶等)的形成，特别是对于溶液法及化学气相沉积法晶体生长过程显得尤为重要。

溶质原子及掺杂在结晶界面上的分凝是由其物理化学性质决定的。分凝导致形成晶体中的成分与母相成分的不同。

对于熔体法和溶液法晶体生长过程，通常采用分凝系数反映分凝特性。某特定组元在结晶界面的分凝系数ki定义为析出晶体中该组元的含量wSi与母相中该组元含wLi的比值，即，ki=wSi/wLi。

结晶界面上的溶质分凝(成分的变化)使其附近液相和晶体中形成成分梯度而引起扩散，晶体生长过程中的溶质再分配包括了界面上的分凝及固相和液相中的扩散。

晶体生长过程通常是在梯度场中进行的，而结晶过程通常也包含热效应，如结晶潜热的释放。

传热过程不仅决定着结晶过程能否进行，而且传热方式控制是结晶界面的宏观、微观形貌及生长速率控制的主要手段。

晶体中的主要缺陷可在结晶过程中直接形成，也可以在结晶结束后的保温过程中形成。

合理地控制晶体的热过程，可以改变缺陷的密度与分布，实现晶体的改性。

在半导体等电子、光电子材料及各种功能晶体材料中，微量的杂质可能会对其性能造成灾难性的影响。精确控制材料中的杂质含量，实现材料的高纯度是至关重要的。

因此，材料的提纯成为晶体生长研究必不可少的环节。材料的提纯技术包括化学方法及区熔法等物理方法。在晶体生长过程中还要进行全过程控制，防止材料的二次污染。

对于化合物晶体材料，需要首先进行原料的合成。合成过程可以采用高纯原料直接合成，也可以借助中间化合物间的化学反应合成。

在采用高纯原料合成过程中通常会遇到不同的技术难题：单质材料通常熔点较低，而形成化合物后熔点很高，形成的固态化合物会阻断反应的通道，为了维持反应的继续进行，需要进一步提高温度。

但提高反应温度又会遇到高蒸汽压、杂质污染等技术问题。借助于中间化合物进行化学合成的过程中，需要维持反应充分进行，并使其他副产物能够从晶体材料中排除，从而保证晶体的纯度。

晶体结构、缺陷及组织分析是评价结晶质量的基本环节。该环节获得的信息将对改进和完善晶体生长工艺提供重要的信息。

从传统的光学显微分析到X射线衍射技术，透射电镜、扫描电镜等电子显微分析技术，都已成为晶体结构分析的重要手段。

同时，借助于吸收光谱、光致发光谱等分析技术也能间接获得晶体结构与缺陷的信息。

晶体材料的力学、物理、化学性质的分析是考查材料使用性能的依据。材料使用性能的要求不同，所需要检测的性能指标也不同。

晶体生长过程的环境控制主要包括：

①温度控制，即升温与保温过程；

②温度场的控制，即温度场的分布及温度梯度；

③真空度的控制；

④气氛控制，即环境介质中气相的成分及不同气体的蒸汽分压；

⑤自然对流及溶液、气相生长过程中流体流动场的控制；

⑥晶体生长的坩埚材料选择，其主要依据是室温及高温强度、工作温度、热稳定性及化学稳定性。由于需要防止坩埚材料与晶体材料之间发生化学反应，对于不同的晶体需要选用不同的坩埚材料。

晶体生长设备通常包括大量的传动系统，如拉晶过程中的抽拉速度控制、晶体及坩埚的旋转、气相生长系统中样品的移动。这些传输过程通常对低速及长时间的稳定性、平稳性、位置的精确控制等有很高的要求，是先进的机电一体化技术。

总体来说，这些问题涉及的学科领域包括物理学、化学、化学工程、材料科学、应用数学、机电工程等学科领域，并且与工程热物理、地矿学、测试技术、电子信息、计算机等学科交叉。

因此，晶体生长作为应用性的学科，具有综合性、交叉性的特点，需要综合相关学科领域的知识，并进行创造性的运用。

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