[發明專利]基于光學浮區法準連續成分的無機材料單晶生長方法

在審

• 申請號: 201610136787.3
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN105624774A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 曹世勛;趙偉堯;任偉;溫祥瑞;康保娟;張金倉
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C30B13/16
• 分類號: C30B13/16;C30B13/28;C30B29/24
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種單晶晶體材料的制備方法，特別是涉及一種成分非均勻性的無機單晶材料的制備方法，應用于晶體生長技術領域和高通量材料制備技術領域。

背景技術

在傳統的材料研發過程中，研究者往往通過大量分立而重復的晶體制備實驗來獲取足夠的單晶材料用于各種物性表征和測試；而在這一過程中，為了獲取特定組分和方向的單晶樣品往往需要長周期的生長條件探索以及方向測定；更重要的是，傳統的材料制備方法中，往往得到的是少數固定組分的晶體用以模擬表征連續變化的性質。隨著材料基因組工程的發展，特別是高通量材料設計、制備和高通量材料表征技術的進步，連續成分的單晶體生長成為今后研究的重點之一。

借助連續組分的材料制備技術，材料設計者最初只需要根據材料的性質做出模糊篩選，然后通過高通量的材料制備得到大量的連續成分樣品，再借助連續表征篩選技術就可以得到目標功能的材料。連續成分材料制備也可以在材料性質探索中快速定位最優組分從而大大縮短探索周期，并且可以顯著降低材料研究開發成本。

光學浮區法是一種豎直區熔晶體生長方法。在生長的晶體界面依靠光學聚焦加熱樣品熔融，并借助重力和表面張力平衡維持一個穩定的熔區。熔區自上而下或自下而上移動，多晶融化后在一個緩慢降溫的過程中，在最優方向或籽晶給定方向完成結晶過程。浮區法晶體生長過程中，熔區的穩定是靠表面張力與重力的平衡來保持，因此，所生長的材料在熔點附近要有較大的表面張力和較小的熔態密度。浮區法的主要優點是不需要坩堝，即不會由坩堝引入雜質，也即加熱不受坩堝熔點限制，可以生長熔點極高的材料；生長出的晶體除沿軸向有較小的組分不均勻性外質量良好，而且在生長過程中容易觀察和實時調整生長條件。通過控制條件還可以實現熔劑的移動和提純排雜,這是生長非共熔材料或具有不均勻組分固熔體材料的必要條件。現有的光學浮區法制備的連續成分的單晶體性能還不夠理想，其成分調控仍然是技術難題，限制了高通量的材料表征分析和選取。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種基于光學浮區法準連續成分的無機材料單晶生長方法，采用光學浮區法進行連續組分的無機材料單晶體生長，引入了全新的原料棒制備手段使得后續的連續成分生長易于操作，本發明方法具有快速、高效、無污染、低成本、晶體質量高的優點，本發明方法制備的晶體經檢驗性能良好，成分易于調控，制得的連續組分單晶將為高通量的材料表征分析和擇優選取提供一種可能。

為達到上述發明創造目的，采用下述技術方案：

一種基于光學浮區法準連續成分的無機材料單晶生長方法，包括如下步驟：

1）準連續成分多晶棒的制備：

a．初始原料采用一系列的3N以上的高純原材料，系列原材料的組分，以0.1~10wt%的原材料中對應元素質量含量差別，形成系列原材料的組合，按照目標多晶材料體系的元素系列配比計算得到所需的原料的元素化學計量比，再按照所需的原料的元素化學計量比計算得到所需的全部系列原材料的組分質量配比，按照所需的全部系列原材料的組分質量配比，分別精確稱量、研磨、充分混合得到原料混合物系列，再按照目標多晶晶體成相條件，將系列原料混合物于高溫爐內在400～1500℃溫度下依成相條件進行設定時間的預燒結，然后隨爐自然降至室溫，完成對系列的多晶原料的預燒結工藝；

b．將在所述步驟a中預燒結的系列多晶原料用瑪瑙研缽研磨，再以系列多晶原料中對應元素質量含量增加或降低作為系列多晶原料的化學計量比順序，將系列多晶原料依化學計量比順序放入模具中，在50-200MPa壓力下等靜壓成型，分別制備出直徑3~15mm、長度50~150mm的非連續有限可變成分的原料棒素坯和直徑3~15mm、長度30mm的組分與原料棒最下端的多晶成分一致的籽晶棒素坯，所述原料棒素坯形成分段連接的具有系列成分區段的整體式預制體；將系列多晶原料依化學計量比順序放入模具中制成原料棒素坯時，根據期望的組分可變范圍，優選最末端成分段占30mm，優選其他每段成分的多晶原料占模具長度10mm；

c．將在所述步驟b中制備的原料棒素坯和籽晶棒素坯在設定爐溫下高溫燒結12h，燒結時通入保護性氣體，燒結完成后隨爐自然降溫，得到原料棒和籽晶棒；對原料棒和籽晶棒進行燒結時，優選采用的保護性氣體為惰性氣體、氧氣和空氣中任意一種氣體或任意幾種氣體的混合氣體，優選控制保護氣流流量在2-6L/min之間；原料棒素坯和籽晶棒素坯優選在500～1500℃溫度下進行高溫燒結；