单晶材料的生长及应用

高速生长CVD金刚石单晶及应用

王启亮，吕宪义，成绍恒，李红东，邹广田

（吉林大学超硬材料国家重点实验室，长春， 130012 ）

摘 要：自2002年美国科学家报道CVD金刚石单晶生长速率可超过50−100 μm/h [1]以来，

大尺寸CVD金刚石单晶的高速生长成为近年来金刚石领域新的研究热点，具有很好的研究价

值和应用前景。目前日本的研究者已获得英寸级的大尺寸CVD金刚石单晶[2]。我们对国际上

CVD金刚石单晶的发展及趋势做了介绍和分析。本文同时介绍了我们实验室近年来在该领域

的工作。采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法，以甲烷和氢气作为反应气体，在

天然或高温高压合成的金刚石单晶上同质外延高速生长金刚石单晶，通过改变反应腔压强、

反应气氛（引入氮气N

2、二氧化碳CO

2、氧气O

2）等，获得生长速度可达到50−200 μm/h，

并且单次生长厚度可达到400−1000 μm。深入研究了氮-空位缺陷的分布及其光谱特性[3]。

当反应气体中加入CO

2，相对于只引入N

2，由于同时提高了碳源的浓度和氧的刻蚀作用，在

一定范围内使得金刚石单晶的生长速度和质量得到了明显的提高，并且降低了表面粗糙度

[4]。利用高温等离子体进行退火，通过控制温度和时间，可使金刚石单晶的颜色及性质有了

很大的改善。我们研制了CVD金刚石单晶刀具，用于金属材料的曲面镜面抛光。

关键词：CVD金刚石单晶；微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）；了氮-空位缺陷的分布及

其光谱特性；高温等离子体；CVD金刚石单晶刀具

通过物理气相沉积法生长出高质量、大尺寸的SiC单

晶材料

 听多了虚拟货币、虚拟现实、虚拟主机……有没有听过虚拟生长？

 “要长出高质量的碳化硅（SiC），我们需要对生产工艺进行设计、调试

和优化。”晶体材料国家重点实验室教授陈秀芳带领的课题组有一项重要任务——通过物理气相沉积法生长出高质量、大尺寸的SiC单晶材料。

 “但实际的生长耗时、耗料，可能也不稳定，通过计算机模拟‘虚拟生

长’过程，可提前获知温度、生长速率等信息，”陈秀芳说。这个方法就像“战

争推演系统”和实打实地实战一样奏效。 

 近日，国家重点研发计划“中低压SiC材料器件及其在电动汽车充电设

备中的应用示范”项目召开年中总结会，由山东大学等单位承担的课题一，仅

第２７卷第２期　２０１２年４月　大学化学　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ　Ｖ０１．２７　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１２　

Ｂｉ系２２１２相超导材料的制备及其单晶生长与表征　

——推荐一个无机固体化学的综合实验　

吴兴才　李百秦　

（南京大学化学化工学院江苏南京２１００９３）　

摘要介绍用无机固态反应制备Ｂｉ：Ｓｒ　ＣａＣｕ：Ｏ　（Ｂｉ．２２１２）超导陶瓷材料，助熔剂法生长Ｂｉ－２２１２超导单　晶，ｘ射线衍射法鉴定晶体结构，差热分析确定晶体生长温区，碘量法测定样品的氧含量以及标准四引线法测　量固体材料与单晶的超导转变温度的全过程实验方法，并对实验结果进行了详细讨论。　关键词　Ｂｉ系２２１２制备　晶体生长超导转变温度　

随着人们对材料科学的重视以及材料科学的迅猛发展，要求化学专业的毕业生应掌握一定的材料　

科学方面的理论知识以及实验技能。以复合氧化物超导材料的制备、晶体生长、结构表征与物性测试为　

内容的综合实验正好满足对学生这方面的训练需求。超导起源于１９１　１年荷兰物理学家Ｏｎｎｅｓ的一个　

发现：汞在４．２Ｋ时电阻为零。这种现象被称之为超导现象，在一定温度下出现超导现象的材料称之为　

超导材料，该转变温度称之为ｌ临界转变温度（Ｔｃ），这也是衡量超导材料性能的一项重要指标。超导材　料经历了金属、合金、过渡金属碳化物、氮化物和复合氧化物的发展过程。直到１９８６年４月ＩＢＭ公司柏　

诺兹和缪勒发现了Ｔｃ＝３５Ｋ的Ｌａ．Ｂａ．Ｃｕ　０高温超导体，从而引起了世界范围内的高温超导研究热潮。　

到目前为止，科学家已陆续发现了Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系和Ｈｇ系等铜基高温超导体。它们的应用主要集中　

在两个方面：一是弱电领域的应用，例如，用ＹＢａ，Ｃｕ　Ｏ，超导薄膜制作弱磁场、远红外和微波等探头器　

件；二是强电领域的应用，例如，将Ｂｉ　Ｓｒ　ＣａＣｕ　Ｏ。和（Ｂｉ，Ｐｂ），Ｓｒ　Ｃａ　Ｃｕ　Ｏ。。制成的超导线材用于制造各　

种电机、磁体和变压器的线圈等＿１］。鉴于Ｂｉ系超导材料的重要性以及容易开展学生实验等特点，我们　

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有机卤化铅钙钛矿单晶材料的生长和应用研究现状

作者：皮义群 严铮洸

来源：《中国科技纵横》2018年第03期

摘 要：有机钙钛矿太阳能电池作为一类新型太阳能电池受到广泛关注，其核心材料是一种具有钙钛矿型（AMX3）结构的有机-无机杂化的卤化物。有机卤化铅钙钛矿价格低廉，具备优异的空穴和电子传输能力，具有直接带隙和强的紫外、可见光吸收性能。本文回顾了近期有机卤化铅钙钛矿单晶材料的生长和应用研究的进展，为今后单晶材料的进一步发展和器件的应用提供思路。

关键词：太阳能电池；有机卤化铅钙钛矿；单晶；光电器件

中图分类号：TM282 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0246-03

有机卤化铅钙钛矿材料具有载流子迁移率高，扩散长度大，光吸收范围宽，吸光率高，带隙大小适合太阳光谱等特点，在高效光伏电池领域迅速受到人们的关注。在短短的几年之中，以有机卤化铅钙钛矿材料制作的光伏电池的能量转换效率从不到5%提高到了超过22%。在半导体材料的应用中，单晶材料具有无可取代的重要性。在多晶材料中存在大量的晶界和更多的缺陷，因此其物理性能一般不如单晶材料，用多晶材料制备的光电器件，如光伏电池等，通常其性能也比单晶材料的器件要低。因此制备有机卤化铅材料的单晶，并且研究其性质和应用成为了这一领域的一个重要问题。

1 有机卤化物钙钛矿的结构和物理、化学性质

一般所称的有机卤化物钙钛矿（AMX3）具有基于立方无机钙钛矿基本框架的结构，其中A为有机离子，如甲胺（CH3NH3+）和甲脒（CH2（NH2）2+）等，也可以是无机离子Cs+；

M为Pb2+或Sn2+等金属离子；X是卤素离子。结构中M具有正八面体的配位多面体，且共顶点连接呈三维网状；A位于八个正八面体之间的中心位置，具有十二的配位数，可以容纳较大的离子[1]。