一種用于熱液法晶體生長(zhǎng)的變口徑高壓釜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱液法生長(zhǎng)晶體的裝置，具體涉及一種用于熱液法晶體生長(zhǎng)的變口徑高壓釜。
【背景技術(shù)】
[0002]人工生長(zhǎng)晶體方法的研宄早在十九世紀(jì)末期就已開始，迄今已有近百年的歷史，生長(zhǎng)單晶的方法主要有助熔劑法、熱液法、氣相法、區(qū)熔法等，其中，熱液法生長(zhǎng)出來的晶體具有熱應(yīng)力小、宏觀缺陷小、晶體均勻性好、透過率高等特點(diǎn)。熱液法結(jié)晶技術(shù)是指在密封的壓力容器中盛放溶劑，在高溫高壓的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，具體是將原料(溶質(zhì))溶解在溶劑中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)(稀薄相飽和蒸汽壓升高)，使固相顆粒在其中成核長(zhǎng)大，最終得到完整晶體的方法。熱液法生長(zhǎng)晶體具有以下優(yōu)勢(shì):(I)晶體可以在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的溫度下生長(zhǎng)，解決了某些晶體不到熔點(diǎn)就分解或遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變的難題；(2)可以降低溶液粘度，克服了某些晶體在熔鹽法生長(zhǎng)過程中冷卻粘度大、易形成玻璃體的缺點(diǎn)；(3)容易長(zhǎng)成大粒且均勻性的晶體，并且所得晶體具有較為完整的外形和晶胞；(4)熱液法可直接觀察晶體生長(zhǎng)過程，有利于準(zhǔn)確研宄生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)。
[0003]雖然熱液法生長(zhǎng)晶體具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際熱液生長(zhǎng)晶體過程中，隨著晶體尺寸不斷增長(zhǎng)，需要連續(xù)更換更大口徑的高壓釜以滿足實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)需要，而更換高壓釜的過程必然會(huì)引起熱液實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化，如填充度、填充量、壓力、溫場(chǎng)、溫度梯度等重要參數(shù)劇烈變化，這些導(dǎo)致不利于晶體生長(zhǎng)以及晶體生長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)化。首先，從生產(chǎn)成本上來說:其一，更換不同口徑的高壓釜完成晶體尺寸的繼續(xù)生長(zhǎng)還耗時(shí)耗力、損費(fèi)原料與礦化劑溶液；其二，為實(shí)現(xiàn)晶體的擴(kuò)展，勢(shì)必需要多個(gè)不同口徑的高壓釜以滿足生長(zhǎng)的需要然而，高溫高壓熱液反應(yīng)釜由高強(qiáng)度耐壓合金制得，高壓釜口徑上的微小變化都需要再額外制作新釜，便利成本相當(dāng)昂貴。而直接在大口徑高壓釜中生長(zhǎng)晶體則會(huì)造成反應(yīng)原料濃度變化劇烈，晶體生長(zhǎng)速度過快，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的生長(zhǎng)缺陷。其次，從傳統(tǒng)高壓釜的結(jié)構(gòu)來說:傳統(tǒng)高壓釜的釜體內(nèi)腔呈柱形結(jié)構(gòu)，釜體內(nèi)腔由上至下的口徑相同，通常情況下，釜體內(nèi)腔通過擋板分隔成溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)。由于溶解區(qū)與結(jié)晶區(qū)口徑一致，使得結(jié)晶區(qū)營(yíng)養(yǎng)料單位時(shí)間載入量偏低，溶液過飽和度變化不明顯，析晶緩慢從而導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)速度較低；另一方面，由于結(jié)晶區(qū)與溶解區(qū)口徑一致，生長(zhǎng)過程中釜內(nèi)整體空間狹小且氣液對(duì)流劇烈，導(dǎo)致結(jié)晶過程不穩(wěn)定且結(jié)晶效率偏低；再一方面，結(jié)晶區(qū)與溶解區(qū)口徑一致，釜整體容積較小，因而生長(zhǎng)過程中溶解區(qū)上升的高溫過熱溶液與生長(zhǎng)區(qū)籽晶距離較近甚至有籽晶浸入溶液，極易產(chǎn)生籽晶溶蝕現(xiàn)象；最后，傳統(tǒng)高壓釜的結(jié)晶區(qū)與溶解區(qū)口徑統(tǒng)一，釜體較長(zhǎng)，會(huì)造成同一釜內(nèi)晶體自上而下生長(zhǎng)速度不均勻，更嚴(yán)重地還會(huì)導(dǎo)致同一塊單晶在垂直方向上結(jié)晶速度不一致。針對(duì)以上問題，從事熱液法人工晶體生長(zhǎng)與生產(chǎn)的研宄人員急需尋找一種新式高壓釜以解決上述弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于熱液法晶體生長(zhǎng)的變口徑高壓釜。采用本發(fā)明所述高壓釜進(jìn)行熱液人工生長(zhǎng)晶體，可以顯著提高高壓釜的同比容積，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸單晶單釜多周期連續(xù)生長(zhǎng)的目的，還能實(shí)現(xiàn)減緩對(duì)流、增加結(jié)晶區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽載入量等目的。
[0005]本發(fā)明所述的用于熱液法晶體生長(zhǎng)的變口徑高壓釜，包括釜體，釜體內(nèi)腔存在溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)，其特征在于:所述釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑大于所述釜體內(nèi)溶解區(qū)的口徑。
[0006]本發(fā)明所述的高壓釜除釜體內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)高壓釜不同外，其它結(jié)構(gòu)均與傳統(tǒng)高壓釜相同。本發(fā)明將釜體內(nèi)腔中結(jié)晶區(qū)的口徑設(shè)計(jì)成大于釜體內(nèi)腔中溶解區(qū)的口徑(即Dl > D2)的結(jié)構(gòu)，一方面，與同樣高度及外徑的傳統(tǒng)高壓釜相比，增加了高壓釜釜體內(nèi)腔的容積，可以使晶體在同一個(gè)釜體內(nèi)多周期連續(xù)生長(zhǎng)，克服了頻繁更換高壓釜存在的諸多問題，還可以節(jié)省成本；另一方面，釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)位于溶解區(qū)的上方，且結(jié)晶區(qū)的口徑大于溶解區(qū)的口徑，有效減緩釜體內(nèi)腔中氣液對(duì)流的劇烈程度，更有利于晶體的生長(zhǎng)，還可以增加結(jié)晶區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的載入量。
[0007]本發(fā)明所述技術(shù)方案中，所述釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑只要大于釜體內(nèi)溶解區(qū)的口徑(即釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)任一部位的口徑均大于釜體內(nèi)溶解區(qū)最大部位的口徑)即可實(shí)現(xiàn)上述目的。從經(jīng)濟(jì)成本和使用效率上來說，當(dāng)釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑為釜體內(nèi)溶解區(qū)的口徑的I?5倍時(shí)，采用本發(fā)明所述高壓釜的可獲得較好的水熱生長(zhǎng)效果；更優(yōu)選是控制釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑為釜體內(nèi)溶解區(qū)的口徑的1.2?3倍。
[0008]在滿足上述Dl > D2的前提條件下，所述釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的形狀可以設(shè)計(jì)成所需的或適用的形狀，如可以設(shè)計(jì)成與傳統(tǒng)高壓釜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)即結(jié)晶區(qū)呈柱形結(jié)構(gòu)(即整個(gè)結(jié)晶區(qū)呈圓柱形)。此時(shí)，釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑由上至下均一致。也可以將釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)設(shè)計(jì)成縱向呈倒錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)(即整個(gè)結(jié)晶區(qū)呈倒錐臺(tái)形)，所述釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑由上至下逐漸變小。還可以將釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)設(shè)計(jì)成具有柱形和倒錐臺(tái)形相接的結(jié)構(gòu)，如一節(jié)柱形結(jié)構(gòu)連接一節(jié)倒錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)，或者是一節(jié)柱形結(jié)構(gòu)連接多節(jié)倒錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)，還可以是多節(jié)倒錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)連接一節(jié)或多柱形結(jié)構(gòu)等，所述柱形結(jié)構(gòu)和倒倒錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)的節(jié)數(shù)可以根據(jù)需要確定。
[0009]在滿足上述Dl > D2的前提條件下，所述釜體內(nèi)溶解區(qū)的結(jié)構(gòu)與所述釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同。具體地，可以將釜體內(nèi)溶解區(qū)設(shè)計(jì)成柱形結(jié)構(gòu)，此時(shí)，釜體內(nèi)溶解區(qū)的口徑由上至下由上至下均一致。也可以將釜體內(nèi)溶解區(qū)設(shè)計(jì)成倒錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)，此時(shí)釜體內(nèi)溶解區(qū)的口徑由上至下逐漸變小。
[0010]本發(fā)明所述的高壓釜，還可以包括一與高壓釜配套使用的熱液反應(yīng)襯套管，該熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)腔中存在溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)，該熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑大于所述熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)溶解區(qū)的口徑(即熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)結(jié)晶區(qū)任一部位的口徑均大于熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)溶解區(qū)最大部位的口徑)。
[0011]當(dāng)高壓釜中不包含熱液反應(yīng)容器時(shí)，培養(yǎng)料直接置于高壓釜釜體內(nèi)的底部(即高壓釜釜體內(nèi)溶解區(qū)底部)進(jìn)行熱液法生長(zhǎng)晶體；當(dāng)高壓釜中含有熱液反應(yīng)襯套管時(shí)，培養(yǎng)料則置于熱液反應(yīng)襯套管的底部(即熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)溶解區(qū)底部)進(jìn)行熱液法生長(zhǎng)晶體。本發(fā)明所述的熱液反應(yīng)襯套管通常為貴金屬制成的襯套管。
[0012]本發(fā)明所述技術(shù)方案中的熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)結(jié)晶區(qū)的形狀可以設(shè)計(jì)成與釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)形狀相同的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可以不相同，但必須遵從熱液反應(yīng)容器內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑大于所述熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)溶解區(qū)的口徑的原則。
[0013]同樣地，熱液反應(yīng)容器內(nèi)溶解區(qū)的形狀可以設(shè)計(jì)成與釜體內(nèi)溶解區(qū)的形狀相同，也可以不相同，但必須遵從熱液反應(yīng)容器內(nèi)結(jié)晶區(qū)的口徑大于所述熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)溶解區(qū)的口徑的原則。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于:
[0015]1、將釜體內(nèi)腔中結(jié)晶區(qū)的口徑設(shè)計(jì)成大于釜體內(nèi)腔中溶解區(qū)的口徑(即Dl >D2)的結(jié)構(gòu)，一方面，與同樣高度及外徑的傳統(tǒng)高壓釜相比，增加了高壓釜釜內(nèi)容積，具有更好的耐壓和耐溫性能，可以使晶體在同一個(gè)釜體內(nèi)多周期連續(xù)生長(zhǎng)，克服了頻繁更換高壓釜存在的諸多問題，還可以節(jié)省因制造多個(gè)傳統(tǒng)高壓釜的成本；另一方面，釜體內(nèi)結(jié)晶區(qū)位于溶解區(qū)的上方，且結(jié)晶區(qū)的口徑大于溶解區(qū)的口徑，有效減緩釜體內(nèi)腔中的氣液對(duì)流，更有利于晶體的生長(zhǎng)，還可以增加結(jié)晶區(qū)單位截面積的營(yíng)養(yǎng)鹽載入量。
[0016]2、本發(fā)明采用大口徑結(jié)晶區(qū)，小口徑溶解區(qū)設(shè)計(jì)理念，降低了生長(zhǎng)同尺寸晶體所需高壓釜的制造成本，有利于熱液法生長(zhǎng)各類大尺寸晶體的產(chǎn)業(yè)化推廣。
[0017]3、使用本發(fā)明所述高壓釜進(jìn)行大尺寸晶體的水熱或溶劑熱生長(zhǎng)，可以大大節(jié)省反應(yīng)原料和礦化劑溶液用量。
[0018]4、本發(fā)明所述高壓釜相比于傳統(tǒng)高壓釜，其結(jié)晶區(qū)口徑大于溶解區(qū)口徑，因此結(jié)晶區(qū)內(nèi)可容納更多體積的反應(yīng)溶液，因而溫度波動(dòng)更微小，結(jié)晶區(qū)溫度控制更精準(zhǔn)，更有利于實(shí)驗(yàn)的開展和生產(chǎn)。
[0019]5、本發(fā)明所述高壓釜相比于傳統(tǒng)高壓釜，其結(jié)晶區(qū)口徑大于溶解區(qū)口徑，因此溶解區(qū)范圍可容納溶液及反應(yīng)原料量減少，有利于吸收外部熱量，使得反應(yīng)原料加速溶解和快速向上輸運(yùn)，提高生長(zhǎng)效率。
[0020]6、本發(fā)明所述高壓釜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際使用時(shí)可配套本發(fā)明所述的熱液反應(yīng)襯套管使用，亦可使用傳統(tǒng)高壓釜的小口徑襯套管，附件相容性較好。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明另一種實(shí)施方式的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明再一種實(shí)施方式的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為與本發(fā)明所述用于熱液法晶體生長(zhǎng)的變口徑高壓釜配合使用的熱液反應(yīng)襯套管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為熱液反應(yīng)襯套管內(nèi)溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)均為柱形時(shí)的熱液反應(yīng)襯套管剖面結(jié)構(gòu)