CN102703971B - 一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备Si基半导体二元共晶自生复合材料的方法，将从共晶合金母材上切取的试样棒置于激光悬浮区熔定向凝固炉内，保持其与抽拉机构同轴。利用激光悬浮定向凝固装置使两束等质量的激光对称的对试样进行区熔熔化，获得稳定的熔区后，通过抽拉实现材料的连续定向凝固。激光悬浮区熔定向凝固过程中，激光功率为400～1200W，抽拉速率为1～500μm/s，熔区长度为5～9mm，激光光斑2～4mm。本发明实现了Si基共晶合金5000～7000K/cm温度梯度、1～500μm/s的无坩埚约束快速定向凝固，完全消除了传统定向凝固坩埚引起的污染和裂纹，获得了组织超细化，纤维分布均匀，取向精度高的Si基半导体二元共晶自生复合材料。

Description

一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法

技术领域

本发明涉及半导体复合材料制备领域，具体是采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固方法制备组织超细化的Si基半导体共晶自生复合材料。

背景技术

难熔金属硅化物TaSi₂具有高熔点(T_m＝2040℃)、高电导率(ρ_293K＝20.20Ωμ.cm)、较低的功函数、较好的抗氧化性，且与硅有很好的结合强度，因此Si-TaSi₂共晶自生复合材料被认为是一种具有广阔应用前景的新型冷场致发射材料。目前，常用的制备所述Si-TaSi₂共晶自生复合材料的方法有以下几种：

文献“N.J.Helbren，S.E.R.Hiscocks.Silicon-and germanium-based eutectics[J].Journal of Materials Science，8(1973)1744-1750”^[1]首次公开了一种制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料的方法，即用Bridgman定向凝固技术制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料。然而该方法采用感应线圈加热，温度梯度＜10²K/cm，制备的纤维组织粗大且规整性较差，极大影响了材料的场发射性能；同时由于制备过程需要使用坩埚，一方面Si熔体易与坩锅发生反应，污染材料，恶化性能，另一方面Si在凝固过程产生体积膨胀，与坩锅挤压易导致材料开裂。

文献“D.M.Ditchek，J.Hefter，T.R.Middleton.Microstructure of Czochralskl grownSi-TaSi₂eutectic composites[J].Journal of Crystal growth，102(1990)401-412.”介绍了采用CZ法制备Si-TaSi₂半导体复合材料，该方法虽在一定程度上降低了材料的污染问题，但由于籽晶和坩埚旋转产生熔体温度波动和强迫对流易导致溶质分布不均匀，同时冷却速率较低，组织难以细化。

文献“C.J.Cui，J.Zhang，Z.W.Jia，H.J.Su，L.Liu，H.Z.Fu.Microstructure andfield emission properties of the Si-TaSi₂ eutectic in situ composites by electron beamfloating zone melting technique[J]Journal ofCrystal growth，310(2008)71-77.”^[2]提出了用无坩埚的电子束区熔凝固技术制备Si基半导体复合材料，提高了温度梯度(300～500K/cm)，并获得了组织较为细化的复合材料。然而，电子束区熔凝固时，电子束需在高真空条件下才能对材料实施加热，且电子束的加热能力有限，材料的凝固速率难以提高，材料制备效率较低，同时由于电子束对熔区的轰击和搅拌产生较强的对流，易导致组织和成分不均匀。

由于Si基半导体材料具有较高的熔点和活泼性，采用传统的凝固方法较难制备。激光具有非常高的能量密度，能够快速熔化任何高熔点的材料，用于定向凝固时固液界面温度梯度可达10³～10⁴K/cm数量级，远高于传统的凝固制备技术以及电子束悬浮区熔技术。激光悬浮区熔是一种利用高能激光束对金属或非金属材料进行区域熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速定向凝固方法，具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无需坩埚无污染等特点，能够快速获得组织超细化，相分布均匀、取向精度高的复合材料。此外，硅基半导体复合材料对激光具有较高的吸收率，采用较低的激光功率即可熔化，因此非常适于采用激光悬浮区熔凝固技术制备。

发明内容

为克服目前传统凝固方法制备硅基半导体共晶复合材料采用坩埚熔炼易导致材料污染和开裂问题，并进一步提高目前Si共晶材料定向凝固过程中的温度梯度，细化组织，本发明提出了一种无需坩埚的激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。

本发明采用高能激光束作为加热源，以较小光斑快速、区域熔化Si基共晶成分的复合材料，通过精确控制激光功率和抽拉速率使熔体表面张力和自身重力保持平衡，实现熔区的稳定，同时以一定的速度向下抽拉试样使熔区快速冷却并连续凝固，获得组织超细化，相分布均匀的Si基共晶复合材料。本发明的具体过程是：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si分别与纯度为99.999％的过渡金属为原材料，按共晶成分配制出共晶母材原料；所述的纯度为99.999％的过渡金属包括Ta、W、Ti、Co、Y、Nb和Cr；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，将熔炼炉加热至共晶母材原料的熔点使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却90～138min，得到Si基二元共晶合金铸锭；所述的Si基二元共晶合金铸锭母材为Si-TaSi₂二元共晶，Si-WSi₂二元共晶，Si-TiSi₂二元共晶，Si-CoSi₂二元共晶，Si-YSi₂二元共晶，Si-NbSi₂二元共晶和Si-CrSi₂二元共晶；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si基二元共晶合金铸锭切割成试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜的聚焦系统使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为2～4mm；

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si基二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，使两束激光束对试样进行加热；逐步增加激光功率使试样棒的熔区完全熔化并保持该激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以1～500μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固；所述激光功率以50W/min的速率增加，并且该激光功率为400～1200W；所述定向凝固的温度梯度为5000～7000K/cm，熔区长度为5～9mm。

本发明中，激光功率根据Si基共晶的成分和凝固速率决定，为400～1200W。抽拉速率确定为1μm/s～500μm/s。试样抽拉速度对Si共晶微观组织有重要影响，提高抽拉扫描速度能够减小共晶层片间距。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)无需坩埚，消除了传统定向凝固技术制备过程中坩埚与熔体反应产生的污染以及Si凝固膨胀与坩埚壁作用产生的应力，并节省了坩埚成本。附图4、5是采用本发明通过激光悬浮区熔定向凝固方法制备的Si-TaSi₂试样，从附图中能够看出，该式样表面光滑，直径均匀一致，并且该式样内部致密、无裂纹。通过阿基米德定律测定试样密度，达到理论密度的99.8％。通过金相分析，材料内部致密，横截面与纵截面平整并无裂纹和孔洞。

2)激光具有高的能量密度，加热速率快，效率高，同时激光熔区非常窄(5～11mm)，温度梯度(～7000K/cm)远高于传统的定向凝固技术以及电子束区熔定向凝固技术，有助于获得超细化的共晶组织。表1表明，在同等凝固速率下，采用激光悬浮区熔定向凝固(LFZM)制备的Si-TaSi₂共晶纤维直径和间距均小于目前文献中报道的采用Bridgman方法^[1]和电子束悬浮区熔方法(EBFZM)^[2]获得的数值，达到了细化组织的效果。附图8表明激光悬浮区熔定向凝固制备的Si-TaSi₂组织细密、均匀，TaSi₂共晶纤维的直径仅为0.56μm，细化组织效果明显。

3)采用双向等质量的激光束对Si基共晶进行区熔，与电子束轰击相比对熔区的扰动小，制备的组织均匀，纤维定向排列好；高的温度梯度有助于提高获得Si基共晶组织的凝固速率，从而实现组织特征尺度和相体积分数的大凝固速率范围调节，并有利于开展Si基半导体共晶的凝固理论研究。本发明使获得Si基共晶凝固组织的凝固速率提高到500μm/s，远高于目前电子束获得Si基共晶凝固组织的最大凝固速率数值150μm/s^[2]。附图9表明激光悬浮区熔定向凝固制备的Si-TaSi₂共晶组织呈现良好的定向排列，TaSi₂纤维均匀、定向的分布在Si基体中。

表1同等凝固速率下、不同定向凝固技术制备的TaSi₂纤维的特征尺度

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是Si-TaSi₂共晶自生复合材料的预制铸锭棒母材。

图3是激光悬浮区熔制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料的示意图。

图4是当抽拉速率为200μm/s时，激光悬浮区熔技术制备的Si-TaSi₂共晶自生复合材料试棒。

图5是当抽拉速率为200μm/s时，激光悬浮区熔技术制备的Si-TaSi₂共晶自生复合材料试棒横截面宏观图。

图6是当抽拉速率为2μm/s时，激光悬浮区熔技术制备的Si-TaSi₂共晶自生复合材料横截面微观组织。

图7是当抽拉速率为50μm/s时，激光悬浮区熔技术制备的Si-TaSi₂共晶自生复合材料微观组织。

图8是当抽拉速率为200μm/s时，激光悬浮区熔技术制备的Si-TaSi₂共晶自生复合材料横截面微观组织。

图9是当抽拉速率为200μm/s时，激光悬浮区熔技术制备的Si-TaSi₂共晶自生复合材料纵截面微观组织。图中：

1.熔区   2.铸锭棒    3.试棒上夹头   4.凸透镜平移装置

5.激光束 6.试棒下夹头

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-CoSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Co为原材料，按原子百分比Si∶Co=77.5∶22.5的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1310℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却108min，得到Φ62×100mm的Si-CoSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-CoSi₂二元共晶合金铸锭切割成3×3×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为2mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-CoSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至400W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以1μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-CoSi₂二元共晶自生复合材料；所述定向凝固的温度梯度为5000K/cm，熔区长度为5mm。

实施例二

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Ta为原材料，按原子百分比Si∶Co=99.5∶1的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1450℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却138min，得到Φ62×100mm的Si-TaSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-TaSi₂二元共晶合金铸锭切割成4×4×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为4mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-TaSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至600W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以2μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-TaSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为5500K/cm，熔区长度为5.5mm。

为验证本实施例的效果，在试样棒的稳态区分别截取一段纵截面试样和一段横截面试样，并对所述的纵截面试样和横截面试样进行常规金相处理。将获得的金相试样浸入到80℃、浓度为36％的KOH腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀时间为5min。采用扫描电镜（SEM）对所得到的Si基半导体试样的纵截面及横截面显微形貌进行观察，所获得的Si-TaSi₂二元共晶自生复合材料中的TaSi₂相形貌呈六方结构，并均匀的分布在基体Si中，纤维直径为6.5μm，纤维间距为21.54μm。

实施例三

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Ta为原材料，按原子百分比为Si∶Ta=99∶1的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1450℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却138min，得到Φ62×100mm的Si-TaSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-TaSi₂二元共晶合金铸锭切割成3×3×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为3mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-TaSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至800W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以200μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-TaSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为6500K/cm，熔区长度为7.8mm。

为验证本实施例的效果，并和实施例二进行比对，在试样棒的稳态区分别截取一段纵截面试样和一段横截面试样，并对所述的纵截面试样和横截面试样进行常规金相处理。将获得的金相试样浸入到80℃、浓度为36％的KOH腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀时间为5min。采用扫描电镜（SEM）对所得到的Si基半导体试样的纵截面及横截面显微形貌进行观察，所获得的Si-TaSi₂二元共晶自生复合材料相分布均匀，相比于实施例二纤维的直径和间距明显减小，纤维直径为0.54μm，纤维间距是2.17μm，

实施例四

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-NbSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Nb为原材料，按原子百分比Si∶Nb=98∶2的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1450℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却138min，得到Φ62×100mm的Si-NbSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-NbSi₂二元共晶合金铸锭切割成2×2×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为2mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-NbSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至800W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以50μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-NbSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为6000K/cm，熔区长度为6.3mm。

实施例五

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-YSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Y为原材料，按原子百分比为82∶18的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1265℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却90min，得到Φ62×100mm的Si-YSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-YSi₂二元共晶合金铸锭切割成3×3×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为3mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-YSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至800W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以100μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-YSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为5200K/cm，熔区长度为5.3mm。

实施例六

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-TiSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Ti为原材料，按原子百分比Si：Ti=83.5∶16.5的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1380℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却120min，得到Φ62×100mm的Si-TiSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-TiSi₂二元共晶合金铸锭切割成3×3×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为3mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-TiSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至800W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以200μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-TiSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为5500K/cm，熔区长度为5.6mm。

实施例七

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-WSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的W为原材料，按原子百分比Si∶W=99.2∶0.8的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1440℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却138min，得到Φ62×100mm的Si-WSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-WSi₂二元共晶合金铸锭切割成3×3×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为3mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-WSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至1000W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以300μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-WSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为6800K/cm，熔区长度为8.2mm。

实施例八

本实施例是一种制备Si基半导体共晶自生复合材料的方法。本实施例采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备Si-CrSi₂共晶自生复合材料，其具体过程包括以下步骤：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si与纯度为99.999％的Cr为原材料，按原子百分比Si：Cr=82∶18的比例配制出共晶母材原料；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，以1kw/10min的速度逐步加热熔炼炉到1355℃，使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却120min，得到Φ62×100mm的Si-CrSi₂二元共晶合金铸锭；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si-CrSi₂二元共晶合金铸锭切割成3×3×60mm的试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为3mm。

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si-CrSi₂二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，两束等质量对称激光束对试样进行加热，激光功率以50W/min的速度逐步升高至1200W，将铸锭熔区完全融化，然后保持激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以500μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固，得到Si-CrSi₂二元共晶自生复合材料；所述激光功率以50W/min的速率增加，所述定向凝固的温度梯度为7000K/cm，熔区长度为9mm。

Claims (1)

1.一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法，其特征在于，其过程是：

步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：

以纯度为99.996％的Si分别与纯度为99.999％的过渡金属为原材料，按共晶成分配制出共晶母材原料；所述的纯度为99.999％的过渡金属包括Ta、W、Ti、Co、Y、Nb或Cr；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10^-4Pa并保持，将熔炼炉加热至共晶母材原料的熔点使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却90～138min，得到Si基二元共晶合金铸锭；所述的Si基二元共晶合金铸锭母材为Si-TaSi₂二元共晶，Si-WSi₂二元共晶，Si-TiSi₂二元共晶，Si-CoSi₂二元共晶，Si-YSi₂二元共晶，Si-NbSi₂二元共晶或Si-CrSi₂二元共晶；

步骤二，装夹试棒：

将得到的Si基二元共晶合金铸锭切割成试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜的聚焦系统使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为2～4mm；

步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：

采用激光悬浮区熔对Si基二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10^-2Pa，充入Ar气；打开激光器，使两束激光束对试样进行加热；逐步增加激光功率使试样棒的熔区完全熔化并保持该激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以1～500μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固；所述激光功率以50W/min的速率增加，并且该激光功率为400～1200W；所述定向凝固的温度梯度为5000～7000K/cm，熔区长度为5～9mm。