ZnO晶体在水平管式炉中的晶种生长研究

研究背景与意义

纤锌矿ZnO是一种宽带隙半导体材料，常温下带隙为3.37 eV，自由激子结合能高达60 meV。ZnO晶体在紫外光发射器、自旋功能器件、气体传感器、透明电子器件和表面声波器件等光电子和微电子领域具有广泛应用潜力。此外，块状ZnO晶体可作为高质量衬底，用于GaN等宽带隙材料的异质外延生长。目前，商业可用的大块ZnO晶体主要通过水热法或熔融法生长，但这些方法存在杂质引入、设备复杂和晶体裂纹等问题。Fan等人于2019年提出了一种优化的水平管式炉生长方法，有效抑制了晶体裂纹和残余应力问题【科学指南针·技术综述】。

实验方法与设置

本研究采用传统水平管式炉进行化学气相沉积法制备ZnO晶体。管式炉沉积室由氧化铝制成，内径为45毫米，炉内纵向温度梯度约为0.1-1℃/cm（温度约600℃）。原料为10克氧化锌粉（纯度5N）和0.12克石墨粉（纯度6N）的混合物，用于生成气相。种子使用10mm×10mm的高温氧化锌晶体，固定在安瓿一端；源材料放置在另一端。安瓿中设置中心有孔的二氧化硅种子底座，以最小化晶体与安瓿的接触面积，减少应力。安瓿在10^-4 Pa真空下密封后放入管式炉，生长参数包括源温度（Ts=1000-1030℃）、种子温度（Tg=960-990℃）和温差（ΔT=5-30℃），生长周期为2-4周。

图1 无级变速增长系统方案

结果与讨论

生长后观察显示，ZnO单晶锭在硅种子底座中心形成，而底座边缘出现亚毫米级小晶体。获得的锭呈深红色，表明存在天然缺陷，如氧空位。生长系统通过控制过饱和度（使用10-30℃过冷和固定温度剖面）实现稳定生长界面，避免了初生成核失控。晶体的平坦生长前沿证实了生长条件的稳定性。

图2 （a）生长后种子晶体和部分安瓿的照片;（b）获得锭的照片

XRD分析显示，生长晶体的002反射峰对称，与标准PDF36-1451数据一致，摇摆曲线半高宽约为39弧秒，证实晶体具有高结晶度。SEM观察发现规律微生长步骤，EDS和XPS结果表明化学计量偏向富锌，存在氧空位缺陷。TDH测量显示晶体载流子迁移率高，载流子浓度较高，归因于高结晶度和缺陷组合。

图3 （a） 002反射的XRD图和（b） 002反射的摇摆曲线

结论与行业应用

本研究验证了水平管式炉在ZnO晶体生长中的有效性，通过优化种子方法抑制了裂纹问题。管式炉作为材料科学的核心设备，在高温、可控气氛下支持晶体生长、热处理等应用。科学指南针平台提供专业管式炉测试服务，涵盖高温实验（最高1600℃）、多种气氛控制（如空气、氢气、氮气）和定制化方案，助力科研与工业创新【科学指南针·服务推荐·2023】。详情请访问科学指南针官网（链接1）了解管式炉测试项目及预约流程。

参考文献：Fan, L. et al. (2019). Seeded growth of bulk ZnO crystals in a horizontal tubular furnace. CrystEngComm, 21(8), 1288-1292.

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