《材料化学导论》课程教学课件（讲稿）03 材料制备化学

第3章材料制备化学3. 1材料合成与加工的重要意义和内涵3. 2基于液-固相转变的材料制备3. 3基于固一固相转变的材料制备3. 4基于气一固相转变的材料制备材料科学与工程学院

第3章 材料制备化学 3.1 材料合成与加工的重要意义和内涵 3.2 基于液-固相转变的材料制备 3.3 基于固-固相转变的材料制备 3.4 基于气-固相转变的材料制备 材料科学与工程学院

83.1材料合成与加工的重要意义和内涵3.1材料合成与加工的重要意义和内涵3.1.1材料合成与加工的重要意义1.传统材料需不断改进生产工艺和流程以提高产品质量提高劳动生产率以降低成本。2.新材料的发展更需要先进的合成和加工技术材料科学与工程学院

3.1 材料合成与加工的重要意义和内涵 3.1.1 材料合成与加工的重要意义 1. 传统材料需不断改进生产工艺和流程以提高产品质量， 提高劳动生产率以降低成本。 2. 新材料的发展更需要先进的合成和加工技术。 材料科学与工程学院 §3.1 材料合成与加工的重要意义和内涵

83.1材料合成与加工的重要意义和内涵材料制备总的目的制备一系列材料以研究这些材料的特殊性能；制备一系列结构相关的材料以研究材料的结构与性能之间的关系；制备一系列新种类的材料；3制备一系列特殊规格的材料。材料科学与工程学院

材料制备总的目的 ① 制备一系列材料以研究这些材料的特殊性能； ② 制备一系列结构相关的材料以研究材料的结构与性 能之间的关系； ③ 制备一系列新种类的材料； ④ 制备一系列特殊规格的材料。 材料科学与工程学院 §3.1 材料合成与加工的重要意义和内涵

83.1材料合成与加工的重要意义和内涵3.1.2材料料合成与加工的内涵①材料的合成是指通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同的原材料中得到化学上不同于原材料的新材料。②材料的加工是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于和原材料不同的状态（化学上完全相同），比如从体块材料中获得薄膜材料，从非晶材料中得到晶体材料等。材料科学与工程学院

3.1.2 材料料合成与加工的内涵 ①材料的合成是指通过一定的途径，从气态、液态或固态 的各种不同的原材料中得到化学上不同于原材料的新材 料。 ②材料的加工是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上 处于和原材料不同的状态（化学上完全相同），比如从 体块材料中获得薄膜材料，从非晶材料中得到晶体材料 等。 材料科学与工程学院 §3.1 材料合成与加工的重要意义和内涵

83.2基于液一固相转变的材料制备3.2 基于液-固相转变的材料制备3.2.1从熔体制备单晶材料*3.2.2从熔体制备非晶材料3.2.3溶液法材料制备*3.2.4液相沉淀法*3.2.5溶胶-凝胶法材料科学与工程学院

3.2 基于液-固相转变的材料制备 § 3.2 基于液-固相转变的材料制备 3.2.1 从熔体制备单晶材料 3.2.2 从熔体制备非晶材料 3.2.3 溶液法材料制备 3.2.4 液相沉淀法 3.2.5 溶胶-凝胶法 材料科学与工程学院

83.2基于液一固相转变的材料制备3.2基于液-固相转变的材料制备（1）从熔体出发，通过降温固化得到固体材料，如果条件适合并且降温速率足够慢可以得到单晶体，如果采用快冷技术可以制备非晶（玻璃态）材料。（2）从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经固化得到固相材料。材料科学与工程学院

3.2 基于液-固相转变的材料制备 （1）从熔体出发，通过降温固化得到固体材料，如果条件适 合并且降温速率足够慢可以得到单晶体，如果采用快冷技术 可以制备非晶（玻璃态）材料。 （2）从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新 材料，再经固化得到固相材料。 材料科学与工程学院 § 3.2 基于液-固相转变的材料制备

83.2基于液-固相转变的材料制备3.2.1从熔体制备单晶材料单晶材料的制备必须排除对材料性能有害的杂质原子和晶体本缺陷。低杂质含量、结晶完美的单晶材料多由熔体生长得到。（1）直拉法（2）锅下降法（定向凝固法）（3）区熔法水平区熔法和悬浮区熔法（4）焰熔法（5）液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）材料科学与工程学院

3.2.1 从熔体制备单晶材料 单晶材料的制备必须排除对材料性能有害的杂质原子和晶 体缺陷。低杂质含量、结晶完美的单晶材料多由熔体生长得到。 （1）直拉法 （2）坩锅下降法（定向凝固法） （3）区熔法 水平区熔法和悬浮区熔法 （4）焰熔法 （5）液相外延（Liquid Phase Epitaxy ，LPE） 材料科学与工程学院 § 3.2 基于液-固相转变的材料制备

83.2基于液-固相转变的材料制备（一）、从熔体制备单晶材料1、直拉法（提拉法）冷却剂一直拉法是熔体生长中应用最广的一种方法，其特点是所生长的晶体质量高，速度快。右图是直拉法晶体生长示意图。熔体置干地锅，一块小单晶（仔晶）与拉杆相连，置于熔体液面处。加热器使单晶炉的温度场保证地锅及熔体的温度高于材料熔点，仔晶的温度在熔点以下，液体和仔晶的固液界面处的温度恰好是材料的熔点。随拉杆缓慢拉伸（典型速率每分钟几毫米），(1)-仔晶(2)-熔体熔体不断在固液界面处结晶，并保持仔晶的结晶(3）（4)加热器学取向。材料科学与工程学院

（一）、从熔体制备单晶材料 1、直拉法（提拉法） 直拉法是熔体生长中应用最广的一种方法， 其特点是所生长的晶体质量高，速度快。 右图是直拉法晶体生长示意图。熔体置于坩 锅，一块小单晶（仔晶）与拉杆相连，置于熔体 液面处。加热器使单晶炉的温度场保证坩锅及熔 体的温度高于材料熔点，仔晶的温度在熔点以下， 液体和仔晶的固液界面处的温度恰好是材料的熔 点。随拉杆缓慢拉伸（典型速率每分钟几毫米）， 熔体不断在固液界面处结晶，并保持仔晶的结晶 学取向。 (1)-仔晶 (2)-熔体 (3)(4)加热器 材料科学与工程学院 § 3.2 基于液-固相转变的材料制备

83.2基于液一固相转变的材料制备（一）、从熔体制备单晶材料1、直拉法（提拉法）一旋转和提拉设备自发成核金属线·的多品体籽品粒塔璃籽品··艺*单晶O缩颈区、射频线翻或O美其他加热器O游体(a)(b)图3-3提拉法生长晶体示意图为了保持熔体的均和固液界面处温度的稳定，仔晶和锅通常沿相反方向旋转（转速约每分钟数十转）这种旋转使得长成的单晶对转轴有柱面对称性。通入高压情性气体（如Ar）防止单晶炉被污染并抑制易挥发元素的逃逸。对易挥发材料也可采用液封技术，即在熔体表面覆盖一层不易挥发的情性液体，如生长GaAs单晶时使用的液封材料是B203材料科学与工程学院

（一）、从熔体制备单晶材料 1、直拉法（提拉法） 为了保持熔体的均匀和固液界面处温度的稳定，仔晶和坩锅通常沿相反方向旋 转（转速约每分钟数十转）这种旋转使得长成的单晶对转轴有柱面对称性。 通入高压惰性气体（如Ar）防止单晶炉被污染并抑制易挥发元素的逃逸。对易 挥发材料也可采用液封技术，即在熔体表面覆盖一层不易挥发的惰性液体，如生长 GaAs单晶时使用的液封材料是B2O3。 材料科学与工程学院 § 3.2 基于液-固相转变的材料制备

83.2基于液一固相转变的材料制备（一）、从熔体制备单晶材料1、直拉法（提拉法）中科院半导体所赵有文等采用液封直拉法制备了InAs单晶材料，直径53-64mm，晶向，，液封材料B,03。来源于《半导体学报》，2006年27卷第8期(a)中国科学院半导研究（(6)究中国中福中中图1LEC法生长的大直径InAs单晶（a）晶向（b）晶向材料科学与工程学院

中科院半导体所赵有文等采用液封直拉法制备了InAs单晶材料，直径53- 64mm，晶向,,液封材料B2O3。 来源于《半导体学报》，2006年27卷第8期 （一）、从熔体制备单晶材料 1、直拉法（提拉法） 材料科学与工程学院 § 3.2 基于液-固相转变的材料制备