[科普中国]-功率移动法

功率移动法，又称移动加热器法，是一种生长高质量单晶体的理想方法，可以在远低于晶体熔点的温度下生长纯度高、组分均匀性好、缺陷密度低的优质单晶体，在生长具有大偏析效应、高蒸气压晶体时优势尤其明显。

定义功率移动法又称为移动加热器法。在进行合金定向凝固和晶体生长实验时，利用温度梯度有效地控制合金定向凝固的速度和界面状态，从而得到不同组织结构的合金的方法。功率移动法的原理是将实验样品固定在试验台架上，通过控制温度梯度炉功率的移动达到定向凝固的效果。利用这个方法可以避免在样品移动过程中造成的液固界面前沿液相的扰动，从而获得高质量的样品，其缺点是试样台的装卡结构较为复杂。经过多次空间微重力实验，证明这种方法是空间电子材料溶液生长的重要技术，其潜力在于可以生长在特定稳定条件下的大直径晶体。1图为中国科学院国家微重力实验室进行地面微重力模拟实验的多功能温度梯度炉原理简图。

功率移动法晶体生长的基本原理晶体生长的基本原理是，坩埚的底部放入籽晶，籽晶的上方装入适量的溶剂，溶剂区上方放入预先合成的多晶料，如右图所示，溶剂区的物料要压实，防止上方溶解的多晶料直接落到籽晶表面。抽掉坩埚中的空气并进行密封。将坩埚放入晶体生长炉时，溶剂区要位于炉膛温度最高的位置。随着加热器的向上移动，多晶原料溶解并进入溶剂区形成溶液，而在下方低温区溶液过饱和，其中溶解的溶质又重新析出，沉积在溶液下方的生长界面上。加热器的连续移动确保生长过程稳定进行。在整个生长过程中，生长速率是由溶质运输速度和生长界面的稳定性及形状决定。溶剂区和生长界面处要有较大的温度梯度，以保证溶质运输的有效性，防止溶质直接落到生长界面上。最终得到的生长界面应该是平坦的或中间略凸的，防止在生长过程中出现杂质和缺陷的积累。2

功率移动法晶体生长的优缺点优点(1)一般的熔体法晶体生长技术，如提拉法和垂直梯度法，是在高于熔点的温度下进行晶体生长，物料中的某种组分会产生反位取代，最终得到的晶体成分会远远偏离原有的化学计量比。而在较低的温度下用移动加热器法生长晶体，会减少反位取代缺陷的发生，得到的晶体组分更加均匀，电阻率也较高。较低的温度也会减小坩埚壁的污染，降低反应物的蒸汽压，减小由于蒸气压过高而引起的坩埚爆裂的可能性。用移动加热器法生长得到的三元化合物晶体的组分非常均匀。

(2)功率移动法本身包含了区熔提纯作用，溶剂能吸收一定量的多晶料中的杂质，从而提高制得晶体的纯度；

(3)生长界面处大的温度梯度可以抑制组分过冷，减小因组分过冷而引起的生长界面不稳定性。3

缺点(1)晶体生长需要有籽晶的加入，籽晶必须是通过其他技术如布里奇曼法或气相生长法获得的。这极大地增加了移动加热器法商业化生产的成本。

(2)移动加热器法的生长速率很低，每天只生长几个毫米。其主要原因是：熔区内溶质浓度小；低温生长，多晶料并未熔化，而是在与熔区接触的溶解界面上缓慢溶解；溶质经过熔区从溶解界面到生长界面的输运速度慢。

这2个缺点严重阻碍了移动加热器法在大规模工业化生产中的应用。由于上述几方面原因，在过去的三十多年间，很多专家学者对移动加热器法晶体生长进行了理论和实验研究。2

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任毅如 - 副教授 - 湖南大学