该方法的创始人是Bridgman,他于1925年发表了论文。Stockbarger又发展了他的方法。该方法也称为B-S法。该法的特点是让熔体在坩埚中冷却而凝固。凝固过程虽然都是由坩埚的一端开始而逐渐扩展到整个熔体,但方式不同。坩埚可以垂直放置,熔体自下而上凝固,或自上而下凝固。一个籽晶插入熔体上部,这样,在生长初期,晶体不与锅壁接触,以减少缺陷。坩埚也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)。凝固过程中可通过移动固-液界面来完成,移动界面的方式是移动坩埚或移动加热炉或降温均可。
简介
坩埚下降法又称
布里奇曼晶体生长法。一种常用的
晶体生长方法。晶体生长用的
材料装在圆柱型的
坩埚中,缓慢地下降,并通过一个具有一定温度梯度的加热炉,炉温控制在略高于材料的
熔点附近。根据材料的性质加热器件可以选用
电阻炉或
高频炉。在通过加热区域时,坩埚中的材料被
熔融,当坩埚持续下降时,坩埚底部的温度先下降到熔点以下,并开始
结晶,晶体随坩埚下降而持续长大。这种方法常用于制备
碱金属和
碱土金属卤化物和
氟化物单晶。
基本原理
坩埚下降法一般采用自发成核生长晶体,其获得单晶体的依据就是晶体生长中的几何淘汰规律,在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核A、B、C,其生长速度因方位不同而不同。假设晶核B的最大生长速度方向与管壁平行,晶核A和C则与管壁斜交。在生长过程中,A核和C核的成长空间因受到B核的排挤而不断缩小,在成长一段时间以后终于完全被B核所湮没,最终只剩下取向良好的B核占据整个熔体而发展成单晶体,这一现象即为几何淘汰规律。
优缺点
优点
1、 由于可以把原料密封在坩埚里,减少了挥发造成的泄漏和污染,使晶体的成分容易控制。
2、 操作简单,可以生长大尺寸的晶体。可生长的晶体品种也很多,且易实现程序化生长。
3、 由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核,这样可以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚,或者在一个大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚,每个孔都可以生长一块晶体,而它们则共用一个圆锥底部进行几何淘汰,这样可以大大提高成品率和工作效率。
缺点
1、 不适宜生长在冷却时体积增大的晶体。
2、 由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触,往往会在晶体中引入较大的内应力和较多的杂质。
3、在晶体生长过程中难于直接观察,生长周期也比较长。
4、若在下降法中采用籽晶法生长,如何使籽晶在高温区既不完全熔融,又必须使它有部分熔融以进行完全生长,是一个比较难控制的技术问题。
总之,B-S法的最大优点是能够制造大直径的晶体(直径达200mm),其主要缺点是晶体和坩埚壁接触容易产生应力或寄生成核。
应用领域
坩埚下降法主要用于生长碱金属和
碱土金属的卤族化合物(例如CaF2、LiF、NaI等)以及一些半导体化合物 (例如AgGaSe2、AgGaS2、CdZnTe等)晶体。