助溶劑法

助熔劑法又稱熔劑法或熔鹽法，它是在高溫下從熔融鹽熔劑中生長晶體的一種方法。利用助熔劑生長晶體的歷史已近百年，現在用助熔劑生長的晶體類型很多，從金屬到硫族及鹵族化合物，從半導體材料、雷射晶體、光學材料到磁性材料、聲學晶體，也用於生長寶石晶體，如助熔劑法紅寶石和祖母綠。

基本介紹

• 中文名：助溶劑法
• 別稱：熔劑法或熔鹽法
• 功能：從熔融鹽熔劑中生長晶體
• 分類：自發成核法、籽晶生長法
• 歷史：已近百年

方法分類

助熔劑法根據晶體成核及生長的方式不同分為兩大類：自發成核法和籽晶生長法。

1、 自發成核法

按照獲得過飽和度方法的不同助熔劑法又可分為緩冷法、反應法和蒸發法。這些方法中以緩冷法設備最為簡單，使用最普遍。

緩冷法是在高溫下，在晶體材料全部熔融於助熔劑中之後，緩慢地降溫冷卻，使晶體從飽和熔體中自發成核並逐漸成長的方法。

2、 籽晶生長法

籽晶生長法是在熔體中加入籽晶的晶體生長方法。主要目的是克服自發成核時晶粒過多的缺點，在原料全部熔融於助熔劑中並成為過飽和溶液後，晶體在籽晶上結晶生長。

根據晶體生長的工藝過程不同，籽晶生長法又可分為以下幾種方法:

A.籽晶旋轉法：由於助熔劑熔融後粘度較大，熔體向籽晶擴散比較困難，而採用籽晶旋轉的方法可以起到攪拌作用，使晶體生長較快，且能減少包裹體。此法曾用於生長"卡善"紅寶石。

B.頂部籽晶旋轉提拉法:這是助熔劑籽晶旋轉法與熔體提拉法相結合的方法。其原理是:原料在坩堝底部高溫區熔融於助熔劑中，形成飽和熔融液，在旋轉攪拌作用下擴散和對流到頂部相對低溫區，形成過飽和熔液，在籽晶上結晶生長晶體。隨著籽晶的不斷旋轉和提拉，晶體在籽晶上逐漸長大。該方法除具有籽晶旋轉法的優點外，還可避免熱應力和助熔劑固化加給晶體的應力。另外，晶體生長完畢後，剩餘熔體可再加晶體材料和助熔劑繼續使用。

C.底部籽晶水冷法：助熔劑揮發性高，頂部籽晶生長難以控制，晶體質量也不好。為了克服這些缺點，採用底部籽晶水冷技術，則能獲得良好的晶體。水冷保證了籽晶生長，抑制了熔體表面和坩堝其它部位的成核。這是因為水冷部位才能形成過飽和熔體，從而保證了晶體在籽晶上不斷成長。用此法可生長出質量良好的釔鋁榴石晶體。

D.坩堝倒轉法及傾斜法：這是兩種基本原理相同的助熔劑生長晶體的方法。當坩堝緩慢冷卻至溶液達過飽和狀態時，將坩堝倒轉或傾斜，使籽晶浸在過飽和溶液中進行生長，待晶體生長結束後，再將坩堝回復到開始位置，使溶液與晶體分離。

E.移動熔劑區熔法：這是一種採用局部區域熔融生長晶體的方法。籽晶和晶體原料互相連線的熔融區內含有助熔劑，隨著熔區的移動(移動樣品或移動加熱器)，晶體不斷生長，助熔劑被排擠到尚未熔融的晶體原料一邊。只要適當地控制生長速度和必要的生長氣氛，用這種方法可以得到均勻的晶體。

工藝特點

助熔劑的選擇是助熔劑法生長寶石晶體的關鍵，它不僅能幫助降低原料的熔點,還直接影響到晶體的結晶習性、質量與生長工藝。

助熔劑有兩類：

一類為金屬，主要用於半導體單晶的生長；另一類為氧化物和鹵化物（如PbO，PbF2等），主要用於氧化物和離子材料的生長。

理想的助熔劑的條件：

1.對晶體材料應具有足夠強的溶解能力；

2.具有儘可能低的熔點和儘可能高的沸點；

3.應具有儘可能小的粘滯性；

4.在使用溫度下揮發性要低(蒸發法除外)；

5.毒性和腐蝕性要小，不易與坩堝材料發生反應；

6. 不易污染晶體，不與原料反應形成中間化合物；

7. 易把晶體與助熔劑分離。

常採用的助熔劑：硼、鋇、鉍、鉛、鉬、鎢、鋰、鉀、鈉的氧化物或氟化物，如B2O3，BaO，Bi2O3，PbO，PbF2，MoO3，WO3，Li2O，K2O，KF，Na2O，NaF，Na3AlF6等。在實際使用中，人們多採用複合助熔劑，也使用少量助熔劑添加物，通常可以顯著地改善助熔劑的性質。合成不同寶石品種採用的助熔劑類型不同。即使合成同一品種的寶石，不同廠家採用的助熔劑種類也不一樣。

助熔劑法生長寶石技術的優缺點

助熔劑法與其它生長晶體的方法相比，有著許多突出的優點：

1.適用性很強，幾乎對所有的材料，都能夠找到一些適當的助熔劑，從中將其單晶生長出來。

2.生長溫度低，許多難熔的化合物可長出完整的單晶，並且可以避免高熔點化合物所需的高溫加熱設備、耐高溫的坩堝和高的能源消耗等問題。

3.對於有揮發性組份並在熔點附近會發生分解的晶體，無法直接從其熔融體中生長出完整的單晶體。

4.在較低溫度下，某些晶體會發生固態相變，產生嚴重應力，甚至可引起晶體碎裂。助熔劑法可以在相變溫度以下生長晶體，因此可避免破壞性相變。

5.助熔劑法生長晶體的質量比其它方法生長出的晶體質量好。

6.助熔劑法生長晶體的設備簡單，是一種很方便的晶體生長技術。

助熔劑法存在著一定的缺點，歸納起來有以下四點：

1.生長速度慢，生長周期長。

2.晶體尺寸較小。

3.坩堝和助熔劑對合成晶體有污染。

4.許多助熔劑具有不同程度的毒性，其揮發物常腐蝕或污染爐體和環境。