蓝宝石晶体生长的方向选择的决定性因素

        作者:Mark浏览次数: 日期:2011年7月6日 09:45

        摘要:

           

        大学时代有一教授常常挂在嘴边的一句话是“学生不听课,绝对是老师的责任”;该教授的课讲得果然是既生动又有深度,很少有学生逃课…………本人也自认为受益菲浅。

        大学讲究的自由学风,今天我们的大学自由是有了,学风是罕见了…………..

        好的老师既要能用简单的话语讲明白高深的道理,还得督促引导学生去思索学习。

        晶体缺陷是比较抽象的一门学科,很多人似懂非懂;在蓝宝石晶体缺陷、晶体质量方面和晶体生长方向的方面存在很多认识的误区。很多人向你讲解的不明白,可能不是存心忽悠你,因为自己未必真的是理解了。

              缺陷的绝对性

        学习晶体学、晶体生长和晶体缺陷离不开热力学三大定律。对于晶体缺陷,热力学第三定定律的阐述了一个物理学最基本的原理在热力学温度零度(即T=0开)时,一切完美晶体的熵值等于零。所谓完美晶体是指没有任何缺陷的规则晶体。

        从科学的角度讲绝对零度不可能达到,所以不存在没有任何缺陷的晶体。绝对完美的晶体是天国的专利,可望而不可及。

        由于晶体结构具有规律性,破坏晶体结构的缺陷显然也不会是胡乱一团,也具有相当规则的构型,和相应的物理规律。利用这些规律我们可以回溯它所经历的磨炼,所遭受的打击。

                               晶体缺陷相关的基本原理

        晶体缺陷可以分为点缺陷(零维)、线缺陷(一维)和面缺陷(二维)三大类。点缺陷主要构形是空位、填隙原子、杂质原子等;线缺陷以位错(dislocation)为代表;面缺陷以晶粒间界、孪晶界为代表。

        晶体中的位错来源有二,在力场中通过成核和增殖产生的,二是籽晶遗传的;不管位错是后天产生的,还是先天遗传的。只要位错与生长界面相交,在生长过程中随界面推移,位错必然延伸,这是由伯格斯矢量守恒所决定的。

        位错线具有特殊的拓扑性质:它要么构成闭合的圈圈,要么延伸到晶体表面,绝不可能中断在晶体之中。位错线也可以分岔开来,分岔后的的两根位错线也必须遵守伯格斯矢量守恒和位错线特殊的拓扑性质。

        位错线在应力场中会受到作用力,这一作用力垂直于位错线;在作用力下位错线会发生滑移、产生弯曲。

        晶体生长方向选用原子最密面的原则。

                        蓝宝石晶体的基本性能和缺陷分析

        蓝宝石晶体(a-Al2O3)是一种简单配位型氧化物晶体,属六方晶系,空间群D -R mc,本应为无色透明的白宝石晶体,但在天然矿物形成过程中,往往含有微量铁和钛杂质而呈蓝色,故称蓝宝石晶体(其整体结构即为白宝石)。蓝宝石晶体是一种古老的晶体,也是是一种熔点很高(2040°C)的高温难熔氧化物晶体。

        六方晶系a1=a2=a3c;三根a轴在同一水平面上成120°角分步,c轴垂直于该平面(三根a轴的平面)。我们常常提起的A面、C面就是分别和a轴、c轴垂直的面。

        我们就利用上面提及的晶体缺陷的基本原理和蓝宝石的晶体学特性来分析蓝宝石晶体的缺陷以及蓝宝石衬底相关的一些术语。

        目前,绝大多数厂商蓝宝石晶体的纯度在99.99%~99.999%之间;或所用的氧化铝原料在99.99%~99.999%之间。同时,有的厂商能用99.99%原料长出好的晶体,有的厂商用更高纯度的晶体也长不出好晶体。

        蓝宝石晶体的纯度在99.99%~99.999%之间,意味这晶体中存在大量的填隙原子和杂质原子,也就是点缺陷;这些点缺陷在力场中通过成核和增殖产生位错——线缺陷。

        蓝宝石衬底常常提起的EPD,其实就是位错(线缺陷)与C面相交,并在C面上的投影。

        如果晶体的材料的单晶性不好(与坩埚壁接触的寄生成核),就会产生面缺陷,面缺陷与C面相交,并在C面上的投影就是衬底材料常常提起名词——差排线。

        在蓝宝石晶体中位错来源有二,填隙原子和杂质原子在力场中通过成核和增殖产生的,二是籽晶遗传的。同时位错线具有特殊的拓扑性质:它要么构成闭合的圈圈,要么延伸到晶体表面,绝不可能中断在晶体之中。六方晶系蓝宝石a1=a2=a3c;三根a轴在同一水平面上成120°角分步,c轴垂直于该平面(三根a轴的平面)。我们常常提起的A面、C面就是分别和a轴、c轴垂直的面。

        这就意味着位错在沿C面垂直(C向生长)方向延伸时,所受的应力基本是平衡的,它会一直延伸到露出晶体的C面。如果是C向生长,由于杂质和应力的存在,随着生长界面的推移,不停的有位错线产生并累加,晶体的位错会越来越高,甚至发生多晶和散点。实验数据也证明了C向生长的晶体头部的EPD要低于尾部的EPD,既晶体头部的质量要高于尾部的晶体质量。

        反之,如果沿A向生长,位错线在应力场得作用下,很快的发生滑移和弯曲,很快的在C向露头,虽然不停的有新位错线产生,但不停的有位错线在C向露头消亡。实验数据也证明了A向生长的晶体头部的EPD要高于尾部的EPD,既晶体尾部的质量要高于头部的晶体质量,同时A向生长的晶体的平均质量要远远高于C向生长的晶体。

        这就意味着沿C生长蓝宝石晶体对原料纯度的要求要远远高于A向生长。

        同时,A向生长蓝宝石晶体符合晶体生长方向选用原子最密面的原则。

        那么A向和C向谁是正确的方向?

        结果恐怕是显而易见的。

         

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        该资讯的关键词为:线缺陷  位错  A面  C面  点缺陷  线缺陷  面缺陷