热屏下降式单晶炉设计与研究

光伏发电以绿色、可再生、能源质量高和不受资源分布地域的限制等优点被广泛使用,单晶硅又以低衰减率和高转换效率等优点渐渐超过了多晶硅光伏电池在市场中的份额,但成本问题和产能问题一直束缚着单晶硅太阳能产业的发展。本文提出了一种在晶体生长过程中随硅液面下降而下降的直拉单晶炉热屏结构,来解决在拉晶过程中坩埚上升所造成的拉晶速度和稳定性降低以及拉晶能耗增加的问题,并以CL120-97单晶炉热场为研究对象,利用有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及氩气流场进行分析。分析仿真结果表明,优化后单晶炉不仅可以提高单晶炉拉晶的速度和质量,而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。     

直拉法单晶炉随动式加热器设计

单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中,用石墨热场加热,将多晶硅材料加以熔化,用直拉法生长单晶硅的设备,在太阳能单晶硅拉制的过程中,如何提高拉晶的速度和质量以及降低设备的能耗一直是单晶硅厂家永恒的追求。本文从机械结构的角度分析了坩埚上升在单晶炉拉晶过程中所造成的拉晶速度下降和额外能耗问题,在此问题的基础上提出了一种加热器随坩埚在拉晶过程中上升的单晶炉结构优化方法,并通过有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及拉晶过程中加热器功率进行分析。结果表明,改进后的单晶炉不仅可以提高拉晶过程的稳定性和拉晶速度,从而进一步提高单晶炉的拉晶质量和产量,而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。     

二元半导体合金垂直Bridgman晶体生长的热质对流Ⅱ-三段热管炉

以GeSi半导体合金为例,采用准稳态模型数值研究了垂直Bridgman三段热管炉中二元合金单晶生长过程中的热质对流现象.在原型炉计算结果的基础上,考虑坩埚传热效应对晶体生长过程的影响,分析了热质耦合、合金热物性和拉晶速度对热质对流和径向溶质分凝的影响规律.计算结果表明,在垂直Bridgman三段热管炉装置中熔体出现两个上、下对称分布的对流结构,对流驱动力分别是热边界条件不连续性和热物性不匹配引起的径向温度梯度;对于溶质稳定分布的GeSi合金系统,只有当溶质瑞利数与热瑞利数大小相近时,溶质分布才会对热质对流产生明显的抑制;在本文的计算范围内,拉晶速度对晶体生长过程中的流动没有明显影响,但对溶质分布影响明显.     

Cz法单晶硅生长过程功率及流体流动的实验研究与数值模拟

本文建立了一个二维全局模型对120 KG单晶硅炉的热系统进行了数值模拟.通过对温场的单独模拟以及温场流场的耦合模拟得到了不同模型下晶体生长所需要的功率,并将两组模拟值与实验数据进行对比得到了加入流体流动后系统所产生的功率损耗.同时对晶体生长过程的分阶段模拟得到了晶体生长过程热系统温度分布的变化规律以及熔体流动的变化规律.结果显示,在整个晶体生长过程中流体流动所产生的功率损耗占实际功率的21.6;左右.     

半导体单晶生长过程中的位错研究

阐述了现有的半导体单晶位错模型,即临界切应力模型和粘塑性模型的基本理论及应用状况.分析了熔体法单晶生长过程中影响位错产生、增殖的各种因素,以及抑制位错增殖的措施.与熔体不润湿、与晶体热膨胀系数相近的坩埚材料,低位错密度的籽晶可有效地抑制生长晶体的位错密度;固液界面的形状及晶体内的温度梯度是降低位错密度的关键控制因素,而两因素又受到炉膛温度梯度、长晶速率、气体和熔体对流等晶体生长工艺参数的影响.最后,对熔体单晶生长过程的位错研究进行了展望.     

泡生法蓝宝石单晶不同生长阶段的数值模拟研究

针对泡生法蓝宝石单晶生长的不同生长阶段的温场、流场和固液界面形状进行数值模拟研究.并分析了加热器相对坩埚的轴向位置和不同生长速率对蓝宝石单晶生长的影响.结果表明:在蓝宝石单晶生长中,在靠近坩埚壁面和固液界面的熔体内,等温线密,温度梯度较大;在靠近坩埚底部的熔体内,等温线稀疏,温度梯度较小.随着晶体高度的增加,熔体对流由放肩阶段的两个涡胞变成等径阶段的一个涡胞,熔体平均温度有小幅度下降;加热器相对坩埚的轴向位置对晶体生长炉内温场和固液界面形状影响很大,随着加热器位置上移,晶体内平均温度升高,温度梯度减小;熔体内平均温度降低,温度梯度增大.同时固液界面凸度增大.随着晶体生长速率增大,固液界面凸度增大,界面更加凸向熔体.     

基于响应面法的直拉硅单晶生长工艺参数优化方法

在直拉法制备硅单晶的过程中,要得到优质的晶体必须建立合理的温度分布,而单晶炉内热场的分布与工艺参数的设定密切相关.其中以晶体转速、坩埚转速和拉速等三个工艺参数对热场分布的影响尤为显著.为了确定最佳热场分布下晶转、埚转及拉速的设定值,本文采用响应面算法通过方程拟合、回归分析等步骤求解这三个工艺参量与温度梯度之间的最佳函数模型,并在该模型下同时对这三个工艺参量进行优化分析,且通过仿真实验和拉晶实验表明该方法的有效性.     

氟化钙单晶炉温场的计算机模拟及改进

对氟化钙晶体生长炉的顶部保温、加热器和下保温装置进行了改进研究.结合数值模拟,对改进前后晶体的轴向温度梯度、径向温度梯度和固液界面附近温度分布进行了对比分析.模拟结果表明,改进了顶部保温后增加了晶体炉内的辐射传热,有效降低了温度梯度,减小了晶体内热应力从而避免了晶体开裂;对加热器和底部保温进行改进后,减少了坩埚底部的热损失,相同温度时降低了加热功率.     

泡生法生长蓝宝石单晶的热场改进与模拟优化

在泡生法蓝宝石单晶生长中,单晶炉内的热场对晶体质量至关重要.本文首先对单晶炉的顶部热屏、环形加热器和炉底保温进行了改进,然后结合计算机数值模拟,对热场改进前、后晶体的轴向和径向温度梯度、晶体表面温度分布、加热器功率等进行分析对比.结果表明:改进后的倾斜热屏增强了单晶炉内的辐射传热,对已生长出的晶体起到了后热作用,降低了晶体内的热应力;对加热器和底部钼保温层的改进,减小了加热器与坩埚间的热阻,增强了炉内的保温作用,使加热功率降低了约8%.     

熔体分层对BaBiBO4晶体生长的影响

研究在用助熔剂法生长BaBiBO4晶体的过程中,熔体分层对晶体生长的影响.以Li2Mo3O10作为助熔剂,采用自发成核和顶部籽晶两种方法来生长晶体.对于这两种方法得到的晶体,用X射线粉末衍射及拉曼光谱进行了表征,结果显示,在晶体生长过程中,由于熔体分层,导致通过自发成核和顶部籽晶分别得到BaMoO4多晶和LiBaB9O15单晶两种不同的物相.     

二价阳离子掺入KDP晶体能力的研究

本文旨在寻找影响杂质阳离子进入KDP晶体能力的因素,我们使用分析纯的KH2PO4和超纯水(电阻率≥18.2MΩ·cm)为原料,分别加入BaCl2·2H2O,CuCl2·2H2O和MgCl2·6H2O,通过降温方式快速生长出KDP晶体.结果表明,cu2+及Mg2+在晶体中的含量基本保持不变,不随其在生长溶液中量的增大而增大,cu2+在晶体中的含量大于Mg2+在晶体中的含量;不同的是,Ba2+在晶体中的含量随着其在生长溶液中量增大而增大.从实验结果我们推断出离子半径和离子水合热是影响二价杂质阳离子在水溶液晶体生长过程中进入KDP晶体能力的重要因素.     

组分挥发对CBO晶体生长影响研究

非线性光学晶体CsB3O5(简称CBO)在生长过程中,原料组分的挥发影响了单晶的生长.本文利用XRD,DTA等手段对挥发物的成分进行表征,结果表明挥发物的主要成分是Cs2O,并探讨了原料组分的挥发对结晶状况的影响,以期探索和优化晶体生长工艺.     

介质环境对TGFB晶体生长的影响

本文精确测定了pH值在1.4～3.0,温度在300.15～319.15K范围内氟铍酸三甘肽(简称TGFB)的溶解度,拟合出溶解度与pH值的经验方程.用静态体视显微法测定了溶液的pH值,溶液中杂质离子(FeF-36,SiF2-6)浓度及表面活性剂(十二烷基磺酸钠,十六烷基三甲基溴化铵)浓度与TGFB(110)晶面生长速率的关系曲线,并进一步讨论了它们的影响机理.     

应变对硅晶体生长影响的分子动力学模拟研究

基于Tersoff势描述的硅原子间相互作用,通过分子动力学方法模拟考察了在垂直于生长方向上分别对晶体施加了不同应变时,硅沿[100]和[112]晶向的晶体生长.结果显示,在压应变条件下,随着应变的增大晶体生长速率减小;而在拉应变条件下,在小应变范围内,晶体生长速率随应变增大并不减小,甚至还可能增大,只有当应变达到一定程度时,晶体生长速率才会随着应变的增大而减小;拉应变对[112]方向生长中液-固界面的形态也产生了显著影响.     

KDP晶体各向异性对划痕特性影响的实验研究

对KDP晶体二倍频晶面样品进行金刚石球形压头纳米划痕实验,划痕方向为0°、45°和90°,划痕长度为420μm,恒斜率载荷变化范围为0～150 mN,并利用扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察.通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各划痕方向脆塑去除比例和脆塑转换位置.实验结果表明:0°、45°和90°方向脆塑转变位置分别为209.0μm、158.5 μm和112.6 μm,从而可知沿0°方向划痕的样品脆塑转变最晚,临界载荷最大,划痕脆性去除最少,是样品的最优加工方向.磨削加工验证实验结果显示,0°方向平均切削力及加工后表面粗糙度均最小,进一步证实其为KDP晶体二倍频表面最优加工方向.     

生长温度对KDP晶体光学性质影响的研究

用降温法在不同的温度下快速生长KDP晶体,并测量其透过光谱、光学均匀性、金属杂质含量和光散射性能.结果表明随着生长温度的提高,KDP晶体的紫外光吸收和光散射点密度明显降低,但均匀性和杂质金属离子含量并无明显变化.     

热释电晶体LLTGS研究

LLTGS是掺入L-赖氨酸的改进的TGS晶体,用溶液降温法生长出60mm×27mm×14mm的透明单晶.热释电性能测试表明,晶体的自发极化、热释电系数和热释电优值大于纯态的TGS.测定X射线衍射主峰显示LLTGS晶体的晶胞参数大于纯态的TGS;讨论了结构对热释电性能的影响.我们认为TGS的热释电性能可以通过掺入L-赖氨酸分子得到改进,LLTGS晶体是一种有希望的红外探测材料.     

硬质合金基体上钛过渡层碳化条件对金刚石薄膜附着力的影响

以WC-6;Co为基体,采用磁控溅射法,在酸蚀后进行氢等离子体脱碳试样上制备Ti过渡层,然后碳化过渡层为TiC.在电子辅助热丝化学气相沉积装置中制备金刚石薄膜.研究碳化条件对金刚石薄膜与基体附着力的影响.结果表明,在700℃左右的低温碳化,TiC结构致密,而在850℃左右的高温碳化,TiC呈疏松的多孔组织,在CH4-Ar等离子体中碳化则850℃左右仍能获得致密的TiC层.在致密的过渡层上沉积的金刚石薄膜具有更高的附着力.     

基于玻璃基底的TiO2自清洁减反射薄膜的研究

采用直流磁控溅射(DMS)技术和能量过滤磁控溅射(EFMS)技术在玻璃基底上制备了TiO2薄膜.用TFC膜系设计软件优化设计了单层和双层减反射薄膜,确定制备工艺参数,根据优化结果分别制备了TiO2构成的单层和双层薄膜.利用SEM、椭偏仪、接触角测定仪和光催化测试系统对薄膜进行了表征和测试.实验结果表明:优化设计的膜层都具有良好的减反射性能,单层和双层薄膜在400~800 nm的平均透射率分别为0.845和0.891.氙灯照射30 min后接触角从61.5°变为28°和8°,后者具有超亲水性.紫外光照下对RhB的降解速率分别为-0.0019 min-1和-0.0034 min-1,具有良好的自清洁性能.单层和双层TiO2薄膜具有自清洁和减反射性能.由高低折射率匹配组成的双层薄膜有较平滑的曲线,光催化降降解性能和亲水性较好.     

吸收条件下光子晶体介观压光效应的研究

在考虑材料吸收的情况下利用传输矩阵的方法研究光子晶体介观压光效应.研究表明:当在光子晶体的轴向方向施加应力产生应变时,光子晶体缺陷模将向左(波长小的方向)移动;缺陷模透射峰的峰值和半高宽不随应变的变化而变化;当消光系数和有效弹光系数增大时,介观压光系数的绝对值将会减小,即缺陷模透射率对应力的变化越来越不敏感.这为高灵敏应力传感器的设计提供了理论参考.