核辐射探测单晶生长方法研究进展

核辐射探测是指用各种核辐射探测器来得到核辐射信息的过程,在军用、民用和科研等领域具有广泛的应用。作为核辐射探测核心的核辐射探测器,主要分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。相比于气体探测器,闪烁体探测器和半导体探测器都需要晶体作为核心材料,晶体质量的品质在很大程度上决定了探测器性能的上限。为了获得性能更好的探测器,人们对探测器用单晶材料的生长方法进行了大量的研究。本文综述了近几年核辐射探测单晶生长方法研究的最新进展,总结了目前主流的晶体生长方法,包括溶液法、熔体法、气相法等,并对不同晶体的主要生长方法进行了归纳。     

二苯甲酮晶体的过冷熔体生长及性能

本文采用过冷熔体法进行二苯甲酮晶体的生长实验,得到尺寸约为30mm×40mm×60mm的单晶.测定了单晶的光谱透射率、折射率及SHG系数,并与溶液法生长的结果进行比较,发现过冷熔体法生长的二苯甲酮单晶在近紫外到近红外波段具有更为优异的光学特性,适合用作YAG激光倍频晶体,也可用作黄绿波段激光调制器.     

CdSe晶体及掺Cr2+激光器的研究进展

以CdSe晶体光参量振荡器为代表的中红外激光器在生物、医疗和军事等诸多领域有着广泛的应用前景.本文总结了生长CdSe单晶的工艺方法包括熔体法、熔剂法和气相法等,其中常用的为气相法,近年来高压垂直梯度冷凝(HPVGF)技术也逐渐被采用.国内外将本征CdSe晶体用于光参量振荡器件(OPO),适用于多种激光器泵浦源,且输出功率不断提高.而Cr2+的掺杂能有效提高泵浦效率,实现波长的连续可调.     

泡生法生长大尺寸蓝宝石单晶的等径控制方法

在泡生法生长大尺寸蓝宝石单晶的过程中,为了获得高质量的晶体,精确等径控制至关重要.本文根据晶体的重量变化率来控制热场,实现晶体等径生长.设计了应用在线整定多项式权值的广义最小方差(OAPW_GMV)控制方法,并建立了系统模型.该方法的主要思想是根据在线估计的被控对象参数及OAPW_GMV的输出,调整多项式的权值,实现炉内的热场控制.仿真和实验结果表明该控制方法实现了蓝宝石单晶的精确等径控制,有效地提高了蓝宝石单晶的质量.     

氧化镓单晶在酸碱条件下的腐蚀坑形貌研究

氧化镓晶体材料由于其优异的性能以及可以用熔体法生长的优势，在功率器件、光电领域有着巨大的潜力。近年来，国内外众多专家也随之开展对氧化镓单晶材料的研究工作，高质量低缺陷的氧化镓单晶材料对后续的外延、器件的制备极其重要。目前，国际上主流的生长方法是导模法，导模法具有生长周期短、尺寸大及生长稳定等优点，然而在晶体缺陷控制方面还有很大的进步空间。本文围绕氧化镓单晶的腐蚀坑形貌，对导模法生长的氧化镓单晶进行加工制样，进行了不同酸碱条件下的腐蚀实验。详细介绍了观察到的不同腐蚀坑形貌，分析了晶体缺陷对腐蚀坑形貌的影响，对今后氧化镓单晶生长机理和晶体缺陷的研究具有重要意义。     

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.     

数值模拟顶部籽晶溶液生长法制备单晶碳化硅的研究进展

宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)凭借着其高击穿场强、高热导率、耐高温、高化学稳定性和抗辐射等优异性能，在电力电子器件领域尤其是高温、高频、高功率等应用场景下有着巨大潜力。大尺寸、高质量、低成本的单晶SiC的制备是SiC相关半导体产品规模化应用的前提。顶部籽晶溶液生长(TSSG)法生长的单晶SiC有着晶体质量高、易扩径、易p型掺杂等优势，有望成为制备单晶SiC的主流方法。但目前由于该方法涉及的生长机理复杂，研究者对其内部机理的理解还不够充分，难以对TSSG生长设备和方法进行有效的改进与优化。利用计算机对TSSG法生长单晶SiC生长过程进行数值模拟被认为是对其内部机理探究的有效途径之一。本文首先回顾了TSSG法生长单晶SiC和相关数值模拟分析的发展历程，介绍了TSSG法生长单晶SiC和数值模拟的基本原理，然后介绍了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC模型涉及的主要模块、影响单晶生长的主要因素(如马兰戈尼力、浮力、电磁力等),以及对数值模型的优化方法。最后，指出了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC在未来的重点研究方向。     

大尺寸弛豫铁电单晶PIMNT的坩埚下降法生长

PIMNT单晶是近年来最新发现的弛豫铁电晶体材料,该三元固溶体单晶具有比较理想的压电、铁电和介电性能,本文报道了大尺寸PIMNT单晶的熔体坩埚下降法生长的实验研究结果。采用固相合成钙钛矿相多晶料,采用垂直坩埚下降法成功生长出最大直径为3英寸的PIMNT单晶;从所生长单晶原胚的三方相区段切割加工出(001)取向晶片,就(001)晶片的介电、压电及铁电性能进行了测试表征,表明其材料性能能够满足相关超声换能器件制作的实用需求。本论文还着重讨论了PIMNT单晶生长所涉及的系列关键技术问题,如富铅熔体对铂金坩埚的侵蚀、晶体原胚的单晶性表征、晶体生长过程的组分偏析与单晶原胚的性能分布等。     

SnSe热电半导体晶体生长技术创新进展

SnSe晶体是一种新型低成本环境友好型热电半导体材料,近几年已成为国内外研究的热点.为了获得SnSe晶体,目前国际上主要采用垂直布里奇曼法和垂直梯度凝固法两种技术进行生长.然而该材料因具有独特的层状结构和复杂热膨胀特征,其在晶体生长过程中极易发生解理开裂,导致难以获得大尺寸晶体.为了解决高完整SnSe晶体制备难题,本团队在材料体系相图及热重分析指导下,近年来先后开发出了气相法、水平熔体法以及水平液封法等多种晶体制备技术,均成功获得了较大尺寸的SnSe晶体材料.本论文从工艺原理、技术要点、晶体生长结果等多方面对相关技术创新情况予以介绍,并将它们的优缺点进行了对比.综合评价认为水平液封法在获取高完整SnSe晶体及性能调控方面具有显著优势,未来将逐渐成为一种广受欢迎的技术.     

高温溶液法生长SiC单晶的研究进展

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有很好的应用潜力。高质量、大尺寸、低成本SiC单晶衬底的制备是实现SiC器件大规模应用的前提。受技术与工艺水平限制,目前SiC单晶衬底供应仍面临缺陷密度高、成品率低和成本高等问题。高温溶液生长(high temperature solution growth, HTSG)法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易扩径、易实现p型掺杂等独特的优势,有望成为大规模量产SiC单晶的主要方法之一,目前该方法的主流技术模式是顶部籽晶溶液生长(top seeded solution growth, TSSG)法。本文首先回顾总结了TSSG法生长SiC单晶的发展历程,接着介绍和分析了该方法的基本原理和生长过程,然后从晶体生长热力学和动力学两方面总结了该方法的研究进展,并归纳了该方法的优势,最后分析了TSSG法生长SiC单晶技术在未来的研究重点和发展方向。     

溶剂蒸汽退火辅助微距升华法制备C8-BTBT单晶

有机半导体单晶由于具有内部长程有序的分子排列结构、缺陷及晶界少等优点,表现出优异的光电性能,是实现有机半导体器件实用化的一种重要材料。目前,研究者们已经发展出多种可应用于有机单晶的生长方法,其中,微距升华法是一种可以在大气环境下采用蒸镀的方式制备有机微/纳单晶的方法。然而,当将这种方法应用于C8-BTBT时发现,由于分子的熔点较低,蒸镀得到的是分子直接从液态凝固为无定形/多晶的结构。在本工作中,通过使用溶剂蒸汽退火的方式对其进行后处理,成功地将这种无定形/多晶结构转化为分立的单晶。为了表征所得到的晶体形貌和结构,分别使用光学显微镜、X射线衍射和原子力显微镜等仪器对其进行了表征,发现所制备的晶体结构具备单晶的典型特征。     

“微距升华”晶体生长方法

随着功能器件向微型化发展,微纳米尺度的低维晶体成为构建新一代功能器件的材料基础。传统的体块单晶生长方法不适用于低维晶体。长久以来,对新型低维材料的研究依赖于机械剥离、溶液法和化学/物理气相沉积等方法,这些方法在效率、可控性和适用性等方面存在诸多限制,因此发展高效可控的低维晶体新型生长方法成为实现这些低维材料器件实用化的前提。山东大学晶体材料国家重点实验室陶绪堂、刘阳团队基于多年来在分子材料结晶基础方面的研究成果,发明了新的“微距升华”低维晶体生长方法。“微距升华”法利用原料与生长衬底之间的微小间距,可以在常压下实现常规物理气相传输中需要高真空才能够达到的分子流传输模式,使生长过程不再受传质限制,因此微距升华法无须真空和载气,速度快,原料利用率接近100%。该方法适用于大部分的有机半导体、金属配合物,甚至含有大量羧基、羟基的药物分子及熔点在一定范围内的无机物晶体,生长的微纳米晶体与电子器件制程匹配,屡次创新器件迁移率记录。新方法受到业界广泛关注,已被多国科学家采用。     

Solid mechanics and material strength studies on the melt growth of bulk single crystals

Microdefects such as dislocations and macrocracking should be controlled during the crystal growth process to obtain high-quality bulk single crystals. Solid mechanics and material strength studies on the single crystals are of importance to solve the problems related to the generation and multiplication of dislocations and the cracking of single crystals. The present paper reviews such research activities that comprise the thermal stress analysis during crystal growth process, the dislocation density estimation during crystal growth process, and the cracking of single crystal due to thermal stress.     

Rotating magnetic fields: Fluid flow and crystal growth applications

Rotating or alternating magnetic fields are widely used in the industrial steel casting process or in metallurgical manufacturing. For the growth of single crystals, these techniques attracted a rapidly increasing attention within the last years: a well defined melt flow leads to a more homogeneous temperature and concentration distribution in the melt and consequently improves the growth process. Rotating magnetic fields (RMF) might be used instead of crucible and/or crystal rotation avoiding mechanically induced disturbances or might be added to conventional rotation mechanisms to gain a further flow control parameter. Compared to static magnetic fields, rotating ones are distinguished by a much lower energy consumption and technical effort. Furthermore, there are no reports on detrimental effects such as the generation of thermoelectromagnetic convection or coring effects in the grown crystals. One advantage of rotating magnetic fields is the possibility to apply them even to melts with a rather low electrical conductivity like e.g. aqueous solutions. High flow velocities are already generated with moderate fields. Therefore the field strength has to be adjusted with care because otherwise undesirable Taylor vortices might be induced. In the last years, the potential of rotating magnetic fields for crystal growth processes was demonstrated for model arrangements using e.g. gallium or mercury as a test liquid as well as for a variety of growth techniques like Float Zone, Czochralski, Bridgman, or Travelling Heater Methods: Fluctuations of the heat transport due to time-dependent natural convection have could be reduced by more than an order of magnitude or the mass transport could be improved with respect to the a better radial symmetry and/or a more homogeneous microscopic segregation.     

Use of an inhomogenous magnetic field for silicon crystal growth

The flow of liquid silicon and oxygen transfer during crystal growth under three different types of cusp-shaped magnetic field were clarified using numerical simulation, flow visualization, and infrared measurement of oxygen concentration in grown crystals. Velocity vectors obtained from numerical simulation are almost parallel to cusp-shaped magnetic fields since flow parallel to a magnetic field does not produce a Lorentz force. This parallel flow enhances homogenization of oxygen concentration along the radial direction in grown crystals. Cusp-shaped magnetic fields can control the flow velocity at the top of the melt. Since melt with a low concentration of oxygen at the top of the melt transfers directly from the free surface to the solid-liquid interface, a low concentration of oxygen in crystals can be achieved. Separation of fluid flow between the near surface and bulk can produce a spatial distribution of the concentration in the melt, and therefore a low oxygen concentration can be obtained in grown crystals.     

The role of inner and internal radiation on the melt growth of sapphire crystal

In this paper, for an inductively heated Czochralski furnace used to grow sapphire single crystal, influence of the inner (wall‐to‐wall) and crystal internal (bulk) radiation on the characteristics of the growth process such as temperature and flow fields, structure of heat transfer and crystal‐melt interface has been studied numerically using the 2D quasi‐steady state finite element method. The obtained results of global analysis demonstrate a strong dependence of thermal field, heat transport structure and crystal‐melt interface on both types of radiative heat transfer within the growth furnace.     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

The influence of thermal screens on the temperature distribution,thermal stress,and defect structure during growth of shaped sapphire crystals

The ways in which a block structure is formed in shaped sapphire single crystals grown from melt by the Stepanov method are considered. The measured temperature distributions and results of a mathematical modeling of the heat exchange in the growth zones, as well as the calculated thermoelastic fields and measured residual stresses, are reported. The possibility of effectively controlling the thermal fields and growth of block-free crystals by choosing optimal screening is shown for single crystals in the form of tubes and basal-plane-faceted ribbons.