PDF《拓扑半金属材料的单晶生长研究进展》

2 单晶生长方法 2.1 助熔剂法 传统生长晶体的方法主要为高温熔融冷凝结 晶, 这种方法需要的温度一般很高, 而且需要特殊 ? 国家重点研发计划 (批准号: 2017YFA0302901, 2016YFA0300604)、 国家自然科学基金 (批准号: 11774399, 11474330)、 中国科学 院战略性先导科技专项 (B 类)(批准号: XDB07020100) 和中国科学院前沿科学重点研究项目 (批准号: QYZDB-SSW-SLH043) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: ygshi@iphy.ac.cn ?

2018 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 128102-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 67, No.

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128102 的耐热材料作为载体, 因而导致成本和能耗都比较 高. 助熔剂法是一种能够通过低熔点物质来溶解高 熔点物质, 从而降低结晶温度的一种方法. 除了能 够降低反应物的熔点之外, 由于晶体在溶液中自由 生长而没有大的温度梯度, 所以它们通常显示出自 然生长面, 可以生长出良好成形和高质量的晶体. 另外, 这样生长的单晶通常缺陷比较少, 均一性好. 但是, 生长过程中助熔剂以及坩埚材料等可能会进 入到晶体内部造成污染, 因此, 选择合适的助熔剂 和合适的坩埚材质, 能够有效解决这个问题 [34,35] . 助熔剂的种类很多, 金属单质、 合金、 低熔点 氧化物以及盐等, 都可以作为助熔剂 [36?38] . 常见 的金属单质助熔剂有 Al, Ga, In, Sn, Pb, Bi 和Zn 等低熔点金属. 另外像一些熔点较高的 Fe, Co, Ni 和Cu 等金属也可以作为助熔剂来溶解熔点更高 的物质, 如Ta, W 和C等. 金属单质助熔剂是最 常用的助熔剂. 金属合金助熔剂主要有 CuAs 合金、 CuP 合金等. 氧化物助熔剂比较多, 常用的有 Bi2O3, B2O3, PbO 等. 盐类助熔剂主要有 NaCl, KCl, RbCl等. 通过相图指导以及大量的实验摸索, 可以找到晶体生长所需的最佳助熔剂. 除了助熔 剂之外, 对于坩埚的选择也要视反应物化学性质 而定. 金属单质、 合金或盐助熔剂一般采用 Al2O3 坩埚;

如果需要碱金属或碱土金属作助熔剂时, 可 以采用 Mo 坩埚;

氧化物助熔剂一般采用 Pt 坩埚. 图1(a) 所示为常用的氧化铝坩埚、 Mo 坩埚、 Pt 坩埚、 Ta管以及石英管等. 助熔剂法除了选择最佳的助熔剂和化学性质 稳定的坩埚外, 对于温度控制的要求也很高. 现在 商业化的电阻炉已经能够精确控制温度, 提供优良 的保温以及降温条件. 由于金属或者合金助熔剂在 高温时容易氧化, 因此需要进行封管操作来隔绝氧 气. 一般有石英管和钽管两种封管选择, 视不同的 情况而定. 石英管保护的最高温度为1200 ? C左右, 当需要的反应温度更高时, 则要采用气氛保护的方 法. 如图

1 (b)―(e) 所示, 依次为井式炉、 单温区管 式炉、 双温区管式炉及气氛保护箱式炉. 图1用于生长单晶的各种坩埚、 石英管以及电炉 (a) 由左至右依次为 Ta 管、 Pt 坩埚、 氧化铝坩埚、 Mo 坩埚以及石英柱和 石英管;

(b)―(e) 分别为井式炉、 单温区管式炉、 双温区管式炉及气氛保护炉 Fig. 1. Crucibles, quartz tubes and furnaces. (a) From left to right: Ta tubes, Pt crucible, alumina crucibles, Mo crucibles, silica plugs and silica tubes. (b)C(e) Pit furnace, single-temperature zone tube furnace, double temperature zone tube furnace, and atmosphere furnace. 2.2 气相传输法 气相传输法包括物理气相传输和化学气相传 输法. 两种过程均需要一定的温度梯度, 一般在水 平放置的管式炉中进行. 物理气相传输法是指一些具有高蒸气压的材 料, 在到达一定温度时会升华成为气态, 如果将材 料密封在管子中 (通常用石英管), 并放置在具有适 当温度梯度的水平管式炉中, 则晶体会沉积在密封 管中的不同位置处. 128102-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 67, No.