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技術(shù)文章
冷坩堝法生長晶體的原理
點擊次數(shù)：857 發(fā)布時間：2010-11-8
冷坩堝法是一種從熔體中生長法晶體的技術(shù)，僅用于生長合成立方氧化鋯晶體。其特點是晶體生長不是在高熔點金屬材料的坩堝中進行的，而是直接用原料本身作坩堝，使其內(nèi)部熔化，外部則裝有冷卻裝置，從而使表層未熔化，形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。內(nèi)部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降脫離加熱區(qū)，熔體溫度逐漸下降并結(jié)晶長大。 合成立方氧化鋯的熔點zui高為2750℃。幾乎沒有什么材料可以承受如此高的溫度而作為氧化鋯的坩堝。該方法將紫銅管排列成圓杯狀“坩堝”（圖5-1），外層的石英管套裝高頻線圈，紫銅管用于通冷卻水，杯狀“坩堝”（圖5-2）內(nèi)堆放氧化鋯粉末原料。高頻線圈處于固定位置，而冷坩堝連同水冷底座均可以下降。 冷坩堝技術(shù)用高頻電磁場進行加熱，而這種加熱方法只對導電體起作用。冷坩堝法的晶體生長裝置采用“引燃”技術(shù)，解決一般非金屬材料如金屬氧化物MgO、CaO等電阻率大，不導電，所以很難用高頻電磁場加熱熔融的問題。某些常溫下不導電的金屬氧化物，在高溫下卻有良好的導電性能，可以用高頻電磁場進行加熱。氧化鋯在常溫下不導電，但在1200℃以上時便有良好的導電性能。為了使冷坩堝內(nèi)的氧化鋯粉末熔融，首先要讓它產(chǎn)生一個大于1200℃的高溫區(qū)，將金屬的鋯片放在“坩堝”內(nèi)的氧化鋯材料中，高頻電磁場加熱時，金屬鋯片升溫熔融為一個高溫小熔池（圖5-4），氧化鋯粉末就能在高頻電磁場下導電和熔融，并不斷擴大熔融區(qū)，直至氧化鋯粉料除熔殼外全部熔融為止，此技術(shù)稱為"引燃"技術(shù)。 氧化鋯在不同的溫度下，呈現(xiàn)不同的相態(tài)。自高溫相向低溫相，氧化鋯從立方相構(gòu)型向六方、四方至單斜鋯石轉(zhuǎn)變。常溫下立方氧化鋯不能穩(wěn)定存在，會轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡苯Y(jié)構(gòu)相。所以在晶體生長的配料中必須加入穩(wěn)定劑，才能使合成立方氧化鋯在常溫下穩(wěn)定。通常選用Y2O3作為穩(wěn)定劑，zui少加入量為1O%的摩爾數(shù)。過少則會有四方相出現(xiàn)，表現(xiàn)為有乳白狀混濁;過多則晶體易帶色，并且造成不必要的成本上升，還會降低晶體的硬度。
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