用于制备表面为特定晶面的单晶空间取向调控方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于单晶体高新材料制备领域，具体地涉及一种通过激光定向可精确调控单晶体的空间取向的方法和一种实现该方法的装置，以及利用该调控方法制备单晶体特定晶面表面的方法，尤其是制备表面为高指数晶面的单晶体的方法。该装置和方法可广泛应用于基础研究以及电子和化工领域的材料制备。
【背景技术】
[0002]表面具有确定晶面取向的单晶材料是一类广泛应用于电子、航空航天以及化工领域的高新材料，也是材料、物理、化学和催化等基础科学研究的模型材料。可控地制备各种具有晶面优先取向表面的单晶材料，尤其是各种具有特定的高指数晶面表面的材料，是制备相关高质量的器件或在模型单晶上开展相关基础研究的前提。
[0003]在已知晶型的单晶体的任意两个已知其晶面指数的相交晶面在空间的实际取向已经确定的前提下，结合晶体学知识对空间关系进行计算，很容易得知该单晶体的任何特定晶面的实际空间取向。原理上，只要沿所确定的实际取向进行切割、研磨以及抛光，就可获得表面具有特定晶面取向的单晶材料。出于设备、成本和操作便利性的考虑，通常会对待加工的单晶在空间旋转特定角度进行定向，以方便后续的切割、研磨和抛光。目前对这类材料进行晶面定向的主要是利用X射线衍射，结合角位移该方法可实现各种结构的晶体材料的多种晶面取向的确定。但是X射线衍射仪设备昂贵，操作复杂且使用中需要特别防护，同时由于商品化的角位移转动角度的限制，限制了一些具有重要实用价值的高指数晶面的制备。另一种方法，是利用激光反射定向法，利用激光照射单晶体表面已有的不同晶面，通过旋转单晶调控反射光偏移的角度来确定晶面取向，该方法简便，成本低。对于制备单晶体表面已经存在的某些基本晶面的单晶材料，该方法非常简便。但是对偏离表面已存在的单晶面的一些晶面，尤其是一些高指数晶面，早期的方法往往需要先调整晶体取向、然后切割、再调整晶体取向、再切割等步骤多次重复，才能最后获得具有特定晶面的单晶体。一方面，该方法在高指数晶面材料制备方面非常烦琐，另一方面由于涉及多步骤过程，其中一小步的误差都可能导致最后材料取向的较大误差。多步、多角度的切割过程，一方面造成材料的损失都较大，使得其在贵金属材料方面的使用很受局限，另一方面也导致最后所制备的单晶体远小于初始的单晶体。若要制备表面具有特定晶面取向的单晶体，则要求初始的单晶体的尺寸不能太小。而大块完美的单晶体的制备目前还具有比较大的挑战。
[0004]如何能在简便的激光反射定向法的基础上，发展能方便地将高指数晶面调节至所希望的位置的方法，进而发展用于制备各种具有高指数晶面的单晶表面的简便、经济、易操作的方法，一直是高新材料科学工业界技术和基础研究领域的科研人员关注的焦点。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有方法的局限，提出了一种简便的激光辅助对单晶体进行空间取向调节的方法，构建了一种可以在很宽角度范围内精确确定和调控单晶体的晶面取向的装置，并在此基础上发展了制备表面为特定晶面的单晶材料的方法。
[0006]本发明提供了以下技术方案:
[0007][I] 一种调节单晶体的空间取向的方法，所述调节单晶体的空间取向的方法包括以下步骤:
[0008](I)准备具有其中存在至少两个已知晶面的表面区域的单晶体；
[0009](2)经由可变形的连接体将所述单晶体固定在可在三维转动的基座上；
[0010](3)使激光入射到所述表面区域，在接收屏上记录由所述已知晶面的反射所产生的反射点的位置；
[0011](4)由所述已知晶面的位置计算所述单晶体转动到目标空间取向所需的空间转动量，并将所述基座转动与所述所需的空间转动量互补的空间转动量；
[0012](5)通过使所述连接体变形来调节所述单晶体的位置，使得激光再次入射到所述表面区域，并且使得所述已知晶面产生的相应的反射点处于在步骤(2)中记录的位置；
[0013](6)将所述基座转动回到起始位置。
[0014][2]根据[I]所述的方法，其中，所述至少两个已知晶面是一个基础晶面和围绕所述基础晶面对称分布的低指数晶面。
[0015][3]根据[I]所述的方法，其中，所述单晶体是面心立方堆积晶体，所述至少两个已知晶面是(100)晶面和围绕所述(100)晶面对称分布的四个(111)晶面，且所述激光垂直入射所述(100)晶面。
[0016][4]根据[1]-[3]中任一项所述的方法，其中，在步骤(I)中，所述单晶体是通过加热熔融再结晶法形成的。
[0017][5] 一种单晶体的特定晶面表面的制备方法，所述制备方法包括:
[0018]采用根据[I]所述的调节单晶体的空间取向的方法，将单晶体的特定晶面调节至加工平面内；
[0019]用不可变形的介质将所述单晶体固定在所述基座上；并且
[0020]在加工平面内进行机加工，获得单晶体的特定晶面表面。
[0021][6]根据[5]所述的制备方法，其中所述单晶体是面心立方堆积晶体，所述特定晶面选自由以下各项组成的组:具有(111)平台(111)台阶的阶梯晶面[n(lll)X(lll)];具有(100)平台(111)台阶的阶梯晶面[η(100) X (111)];具有(100)平台和(110)台阶的阶梯晶面；具有(111)平台和(111)及(100)台阶的阶梯晶面；以及具有(100)平台和(111)及(100)阶梯的晶面，
[0022]其中，在所述根据权利要求1所述的调节单晶体的空间取向的方法中，所述至少两个已知晶面是(100)晶面和围绕所述(100)晶面对称分布的四个(111)晶面，所述激光垂直于所述(100)晶面入射，并且在步骤(4)中，所述基座的空间转动是在(100)晶面的法线和一个(111)晶面的法线所确定的平面内的转动，或者是绕激光入射轴转动和在所述法线所确定的平面转动的组合。
[0023][7] 一种调节单晶体的空间取向的装置，所述装置包括:
[0024]可三维转动的基座；
[0025]可变形的连接体，所述可变形的连接体一端固定在所述基座上，一端与所述单晶体连接；
[0026]发射激光的激光源；
[0027]光路调控系统，所述光路调控系统调控来自所述激光源的激光照射所述单晶体的入射光路和至少一部分从所述单晶体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]根据[7]所述的装置，其中
[0030]所述可变形的连接体是可手动变形的金属丝、橡胶棒或它们的组合。
[0031][9]根据[7]所述的装置，其中
[0032]所述基座可分别绕水平轴和竖直轴转动；
[0033]所述光路调控系统包含分光镜和平面镜，所述分光镜将一部分来自激光器的水平方向的激光反射向竖直方向，并使得竖直反射的激光中的至少一部分透过，所述平面镜将透过所述分光镜的竖直方向上的反射激光反射向水平方向，并在墙壁上形成反射点，
[0034]向斜下反射的激光在操作台面上形成反射点。
[0035]本发明的原理是，在已知晶型的单晶表面上的任意两个相交的已知其晶面指数的晶面(在本文中称为已知晶面)在空间的实际取向已经确定的前提下，可结合晶体学知识计算得知单晶材料的任意晶面在实际空间的取向。利用激光照射及多方位观察单晶材料表面上所述已知晶面的反射信号，并结合对固定单晶材料的基座以及单晶材料的塑性连接体的精确控制和调变，可实现对单晶晶面取向的精确调节。最后通过机加工如定向碾磨抛光得到具有目标单晶面的单晶材料。
[0036]本发明利用简单的光学基座和塑性连接体，结合激光反射方法实现了对单晶体的空间位置和取向的精确调控，提供了一种简单、方便、经济的制备表面具有特定晶面取向的单晶材料的方法。
[0037]本发明的有益效果包括:
[0038]1.相对于常用的X射线衍射辅助取向调解法，本发明的方法成本低廉、操作简单且安全、无需特殊防护。传统单晶定向方法多用到X射线衍射，需要大型昂贵的仪器和配套的附件，而本发明所用方法主要使用低功率的激光和简单的光路即可实现。
[0039]2.相对于已有的激光辅助取向调节方法，本发明的方法可以简单快速将在晶体内部的任意特定晶面特别是高指数