用于制備表面為特定晶面的單晶空間取向調(diào)控方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于單晶體高新材料制備領(lǐng)域，具體地涉及一種通過激光定向可精確調(diào)控單晶體的空間取向的方法和一種實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，以及利用該調(diào)控方法制備單晶體特定晶面表面的方法，尤其是制備表面為高指數(shù)晶面的單晶體的方法。該裝置和方法可廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究以及電子和化工領(lǐng)域的材料制備。
【背景技術(shù)】
[0002]表面具有確定晶面取向的單晶材料是一類廣泛應(yīng)用于電子、航空航天以及化工領(lǐng)域的高新材料，也是材料、物理、化學(xué)和催化等基礎(chǔ)科學(xué)研究的模型材料。可控地制備各種具有晶面優(yōu)先取向表面的單晶材料，尤其是各種具有特定的高指數(shù)晶面表面的材料，是制備相關(guān)高質(zhì)量的器件或在模型單晶上開展相關(guān)基礎(chǔ)研究的前提。
[0003]在已知晶型的單晶體的任意兩個(gè)已知其晶面指數(shù)的相交晶面在空間的實(shí)際取向已經(jīng)確定的前提下，結(jié)合晶體學(xué)知識(shí)對(duì)空間關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，很容易得知該單晶體的任何特定晶面的實(shí)際空間取向。原理上，只要沿所確定的實(shí)際取向進(jìn)行切割、研磨以及拋光，就可獲得表面具有特定晶面取向的單晶材料。出于設(shè)備、成本和操作便利性的考慮，通常會(huì)對(duì)待加工的單晶在空間旋轉(zhuǎn)特定角度進(jìn)行定向，以方便后續(xù)的切割、研磨和拋光。目前對(duì)這類材料進(jìn)行晶面定向的主要是利用X射線衍射，結(jié)合角位移該方法可實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)的晶體材料的多種晶面取向的確定。但是X射線衍射儀設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜且使用中需要特別防護(hù)，同時(shí)由于商品化的角位移轉(zhuǎn)動(dòng)角度的限制，限制了一些具有重要實(shí)用價(jià)值的高指數(shù)晶面的制備。另一種方法，是利用激光反射定向法，利用激光照射單晶體表面已有的不同晶面，通過旋轉(zhuǎn)單晶調(diào)控反射光偏移的角度來確定晶面取向，該方法簡(jiǎn)便，成本低。對(duì)于制備單晶體表面已經(jīng)存在的某些基本晶面的單晶材料，該方法非常簡(jiǎn)便。但是對(duì)偏離表面已存在的單晶面的一些晶面，尤其是一些高指數(shù)晶面，早期的方法往往需要先調(diào)整晶體取向、然后切割、再調(diào)整晶體取向、再切割等步驟多次重復(fù)，才能最后獲得具有特定晶面的單晶體。一方面，該方法在高指數(shù)晶面材料制備方面非常煩瑣，另一方面由于涉及多步驟過程，其中一小步的誤差都可能導(dǎo)致最后材料取向的較大誤差。多步、多角度的切割過程，一方面造成材料的損失都較大，使得其在貴金屬材料方面的使用很受局限，另一方面也導(dǎo)致最后所制備的單晶體遠(yuǎn)小于初始的單晶體。若要制備表面具有特定晶面取向的單晶體，則要求初始的單晶體的尺寸不能太小。而大塊完美的單晶體的制備目前還具有比較大的挑戰(zhàn)。
[0004]如何能在簡(jiǎn)便的激光反射定向法的基礎(chǔ)上，發(fā)展能方便地將高指數(shù)晶面調(diào)節(jié)至所希望的位置的方法，進(jìn)而發(fā)展用于制備各種具有高指數(shù)晶面的單晶表面的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、易操作的方法，一直是高新材料科學(xué)工業(yè)界技術(shù)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有方法的局限，提出了一種簡(jiǎn)便的激光輔助對(duì)單晶體進(jìn)行空間取向調(diào)節(jié)的方法，構(gòu)建了一種可以在很寬角度范圍內(nèi)精確確定和調(diào)控單晶體的晶面取向的裝置，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了制備表面為特定晶面的單晶材料的方法。
[0006]本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
[0007][I] 一種調(diào)節(jié)單晶體的空間取向的方法，所述調(diào)節(jié)單晶體的空間取向的方法包括以下步驟:
[0008](I)準(zhǔn)備具有其中存在至少兩個(gè)已知晶面的表面區(qū)域的單晶體；
[0009](2)經(jīng)由可變形的連接體將所述單晶體固定在可在三維轉(zhuǎn)動(dòng)的基座上；
[0010](3)使激光入射到所述表面區(qū)域，在接收屏上記錄由所述已知晶面的反射所產(chǎn)生的反射點(diǎn)的位置；
[0011](4)由所述已知晶面的位置計(jì)算所述單晶體轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)空間取向所需的空間轉(zhuǎn)動(dòng)量，并將所述基座轉(zhuǎn)動(dòng)與所述所需的空間轉(zhuǎn)動(dòng)量互補(bǔ)的空間轉(zhuǎn)動(dòng)量；
[0012](5)通過使所述連接體變形來調(diào)節(jié)所述單晶體的位置，使得激光再次入射到所述表面區(qū)域，并且使得所述已知晶面產(chǎn)生的相應(yīng)的反射點(diǎn)處于在步驟(2)中記錄的位置；
[0013](6)將所述基座轉(zhuǎn)動(dòng)回到起始位置。
[0014][2]根據(jù)[I]所述的方法，其中，所述至少兩個(gè)已知晶面是一個(gè)基礎(chǔ)晶面和圍繞所述基礎(chǔ)晶面對(duì)稱分布的低指數(shù)晶面。
[0015][3]根據(jù)[I]所述的方法，其中，所述單晶體是面心立方堆積晶體，所述至少兩個(gè)已知晶面是(100)晶面和圍繞所述(100)晶面對(duì)稱分布的四個(gè)(111)晶面，且所述激光垂直入射所述(100)晶面。
[0016][4]根據(jù)[1]-[3]中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟(I)中，所述單晶體是通過加熱熔融再結(jié)晶法形成的。
[0017][5] 一種單晶體的特定晶面表面的制備方法，所述制備方法包括:
[0018]采用根據(jù)[I]所述的調(diào)節(jié)單晶體的空間取向的方法，將單晶體的特定晶面調(diào)節(jié)至加工平面內(nèi)；
[0019]用不可變形的介質(zhì)將所述單晶體固定在所述基座上；并且
[0020]在加工平面內(nèi)進(jìn)行機(jī)加工，獲得單晶體的特定晶面表面。
[0021][6]根據(jù)[5]所述的制備方法，其中所述單晶體是面心立方堆積晶體，所述特定晶面選自由以下各項(xiàng)組成的組:具有(111)平臺(tái)(111)臺(tái)階的階梯晶面[n(lll)X(lll)];具有(100)平臺(tái)(111)臺(tái)階的階梯晶面[η(100) X (111)];具有(100)平臺(tái)和(110)臺(tái)階的階梯晶面；具有(111)平臺(tái)和(111)及(100)臺(tái)階的階梯晶面；以及具有(100)平臺(tái)和(111)及(100)階梯的晶面，
[0022]其中，在所述根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)單晶體的空間取向的方法中，所述至少兩個(gè)已知晶面是(100)晶面和圍繞所述(100)晶面對(duì)稱分布的四個(gè)(111)晶面，所述激光垂直于所述(100)晶面入射，并且在步驟(4)中，所述基座的空間轉(zhuǎn)動(dòng)是在(100)晶面的法線和一個(gè)(111)晶面的法線所確定的平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，或者是繞激光入射軸轉(zhuǎn)動(dòng)和在所述法線所確定的平面轉(zhuǎn)動(dòng)的組合。
[0023][7] 一種調(diào)節(jié)單晶體的空間取向的裝置，所述裝置包括:
[0024]可三維轉(zhuǎn)動(dòng)的基座；
[0025]可變形的連接體，所述可變形的連接體一端固定在所述基座上，一端與所述單晶體連接；
[0026]發(fā)射激光的激光源；
[0027]光路調(diào)控系統(tǒng)，所述光路調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控來自所述激光源的激光照射所述單晶體的入射光路和至少一部分從所述單晶體反射的激光的反射光路；
[0028]反射接收屏，所述反射接收屏接收反射的激光。
[0029][8]根據(jù)[7]所述的裝置，其中
[0030]所述可變形的連接體是可手動(dòng)變形的金屬絲、橡膠棒或它們的組合。
[0031][9]根據(jù)[7]所述的裝置，其中
[0032]所述基座可分別繞水平軸和豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0033]所述光路調(diào)控系統(tǒng)包含分光鏡和平面鏡，所述分光鏡將一部分來自激光器的水平方向的激光反射向豎直方向，并使得豎直反射的激光中的至少一部分透過，所述平面鏡將透過所述分光鏡的豎直方向上的反射激光反射向水平方向，并在墻壁上形成反射點(diǎn)，
[0034]向斜下反射的激光在操作臺(tái)面上形成反射點(diǎn)。
[0035]本發(fā)明的原理是，在已知晶型的單晶表面上的任意兩個(gè)相交的已知其晶面指數(shù)的晶面(在本文中稱為已知晶面)在空間的實(shí)際取向已經(jīng)確定的前提下，可結(jié)合晶體學(xué)知識(shí)計(jì)算得知單晶材料的任意晶面在實(shí)際空間的取向。利用激光照射及多方位觀察單晶材料表面上所述已知晶面的反射信號(hào)，并結(jié)合對(duì)固定單晶材料的基座以及單晶材料的塑性連接體的精確控制和調(diào)變，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶晶面取向的精確調(diào)節(jié)。最后通過機(jī)加工如定向碾磨拋光得到具有目標(biāo)單晶面的單晶材料。
[0036]本發(fā)明利用簡(jiǎn)單的光學(xué)基座和塑性連接體，結(jié)合激光反射方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)單晶體的空間位置和取向的精確調(diào)控，提供了一種簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)的制備表面具有特定晶面取向的單晶材料的方法。
[0037]本發(fā)明的有益效果包括:
[0038]1.相對(duì)于常用的X射線衍射輔助取向調(diào)解法，本發(fā)明的方法成本低廉、操作簡(jiǎn)單且安全、無需特殊防護(hù)。傳統(tǒng)單晶定向方法多用到X射線衍射，需要大型昂貴的儀器和配套的附件，而本發(fā)明所用方法主要使用低功率的激光和簡(jiǎn)單的光路即可實(shí)現(xiàn)。
[0039]2.相對(duì)于已有的激光輔助取向調(diào)節(jié)方法，本發(fā)明的方法可以簡(jiǎn)單快速將在晶體內(nèi)部的任意特定晶面特別是高指數(shù)