溶液晶体生长动力学机理研究近况

一、引 言 晶体生长动力学是晶体生长理论研究的中心课题之一.它是根据结晶过程中结晶基元(原子、分子或原子团)的相互作用规律,通过对生长率和过饱和度曲线及有关实验资料的分析,探讨生长过程的微观机理. 生长机理研究可追溯到上世纪后半叶的W.Gibbs-P。Curie表面能理论以及此后发展的A.Noyes-W.Nernst 扩散层理论,M.Volmer的吸附层理论.早期的生长理论,虽然涉及到一些动力学理论基础,然而,还不够完整和系统.直到本世纪四十年代末和五十年代初,生长动力学理论才取得较大进展.1949年召开的首届国际晶体生长会议,标志着生长动力学理论发…     

半刚性聚电解质链与带相反电荷颗粒复合体系的动力学模拟

用Langevin动力学研究了半刚性聚电解质链与带相反电荷球状颗粒在溶液中的复合体系，并研究了链的拉伸性质.具体考察了带电颗粒的电量以及溶液中盐离子浓度对复合体系的影响.链两端没有施加外力的情况下，当溶液中盐离子浓度较低时，复合体系呈现一种串珠状结构；当溶液中盐离子浓度较高时，复合体系转变为一种聚集态结构.链的两端施加外力的情况下，带电颗粒从链上脱落的过程可以分为两步. 关键词： 聚电解质链 Langevin动力学 Debye-Hückel长度     

制备红色发光二极管用的GaP晶体的生长

生长制备发光二极管用的GaP晶体,最普通的方法,就是从Ga溶液中结晶的方法。这种方法的优点是:能保证晶体的高纯度,可以实现结晶与合成的结合,以及在晶体生长的同时完成掺杂。 本文研究了结晶条件和杂质对发红光的GaP从晶体溶液中生长的影响。 制备红色发光二极管用的GaP晶体,必须是完全掺杂的,并具有很强的光致发光和     

溶液中晶体生长动力学的MC计算机模拟研究

用蒙特卡罗计算机模拟方法研究了溶液中晶体表面的生长台阶和生长动力学,着重讨论了表面尺寸、表面粗糙度以及溶液过饱和度对晶体生长速率的影响以及相应的生长机制.     

掺杂NaCl水溶液结晶形貌的分形研究

水溶液结晶是研究分形形貌的重要实验之一。本文通过改变溶液浓度,溶质组分和结晶温度等宏观实验参数,用分形维数的方法研究了这些参数对结晶形貌的影响。指出在低浓度下的非平衡态中溶液结晶形貌具有分形结构;不同晶体的生长作用力相互竞争,混乱度最大的情况下形成的分形结构最凸出,生长作用力是影响晶体形貌的主要因素;同时,分子热运动也是影响结晶形貌的因素之一。     

坩埚下降法生长的LiNbO3,Fe:LiNbO3,Zn:Fe:LiNbO3单晶的吸收光谱特性

用紫外可见光谱(UV／Visible Spectra)测试并研究了坩埚下降法生长的LiNbO3、Fe：LiNbO3，以及Zn：Fe：LiNbO3晶体的吸收特性。分析了产生这些吸收特性的原因以及与工艺生长方法的内在联系。研究结果表明：LiNbO3单晶沿晶体生长方向，其紫外吸收边向长波方向移动，且在350—450nm波段的吸收也逐渐增大，这是由于Li的分凝与挥发，逐渐产生缺锂所造成的；在Fe：LiNbO3单晶中观察到Fe^2 离子在480nm附近的特征吸收峰，并发现沿生长方向，Fe^2 离子的浓度逐渐增加，这与提拉法生长得到的晶体不同；在Fe：LiNbO3单晶中掺入质量分数为1．7％ZnO后，吸收边位置发生蓝移，而掺杂质量分数达到3．4％时，观察到有红移现象。Fe^2 离子在Zn：Fe：LiNbO3单晶中的浓度与ZnO掺杂量有密切关系。在掺杂质量分数1．7％ZnO的Fe：LiNbO3单晶中，Fe^2 离子从底部到顶部的浓度变化比在掺杂质量分数3．4％ZnO晶体中大，这是由于Zn^2 抑制Fe^2 离子进入Li位的能力随掺杂量的增加而逐渐减弱造成的。就该下降法工艺技术对Fe^2 离子在晶体中的浓度分布的影响作了分析。     

硝酸钾电解质溶液水化结构的分子动力学模拟

应用分子动力学方法对硝酸钾溶液中离子团簇的结构和离子的水化性质进行模拟研究．水分子采用简单点电荷模型，钾离子被看作带电硬球，硝酸根离子采用刚性四节点模型，同时考虑了节点间的库仑长程作用和L-J相互作用，库仑长程作用采用EWALD求和方法处理，得到了溶液中各种离子对的微观构型和径向分布函数，考察了溶液浓度对离子水化性质的影响．研究表明, 在KNO3溶液中存在一定程度的离子缔合，在高离子浓度情形，可以观察到二聚体、三聚体、溶剂分离阴阳离子对以及其它更复杂的离子团簇构型；离子水化数随离子浓度的升高而降低，对不同浓度的溶液得到的K+的水化数为5?7，NO3-的水化数为3.5?4.7，与蒙特卡罗模拟结果和飞行时间中子衍射实验的测量结果一致．     

超临界水中硫酸钠结晶动力学的分子动力学模拟

在超临界水反应器中，硫酸钠是易造成堵塞的一种常见无机盐，研究其结晶动力学对于防盐沉积反应器的设计具有重要意义.本文采用LAMMPS分子动力学模拟软件研究硫酸钠在超临界水中的微观结晶过程，其中水分子采用SPC/E模型，离子-离子、离子-水分子相互作用采用Coulumb和Lennard-Jones联合势能函数.结果表明：水对离子的静电屏蔽作用随温度升高而增强、随密度减小而减弱；增大超临界水的温度和密度有利于离子扩散，进而促进离子相互碰撞、成核；在模拟的超临界水参数范围内，其成核速率的数量级为10²⁹cm^-3·s^-1，生长速率为(19.8~25.8) m·s^-1.     

分子聚集溶液理论及其应用

本文应用经典热力学和分子热力学方法建立了分子聚集溶液理论。该理论具有通用性；它不仅适用于非电解质溶液，而且也可应用于电解质溶液。另外，溶液的分子聚集度参数与组分浓度的相关性规律还可用来描述电解质溶液的传递性质。     

用激光偏振干涉技术测量KDP晶体柱面生长速度

 采用激光偏振干涉技术实现了KDP晶体柱面生长速度的实时测量,精度可达0.01 μm/min。研究了不同的过饱和度控制方式对柱面死区实时测量的影响。发现晶体双折射率随温度的变化是导致光强-时间曲线中死区直线斜率不为零的原因。认为晶体生长速度与杂质离子的吸附时间有关。研究了杂质离子含量不同的两种原料在不同的溶液饱和点下的柱面生长速度和死区随过饱和度的变化关系,结合C-V模型和K-M理论讨论了其中的动力学规律。讨论了晶体光学质量与生长过饱和度的关系,认为利用激光偏振干涉系统进行溶液鉴定,将传统降温法的过饱和度控制在死区范围内和将点籽晶快速生长技术的过饱和度控制在线性区是保证晶体光学质量的关键。     

晶体生长的缺陷机制

晶体生长是一个复杂的相变过程。自80年代以来,闵乃本及其研究组系统地研究了晶体生长的缺陷机制。在理论分析和实验观察的基础上,他们发展了晶体生长的位错机制（包括刃位错和混合位错机制）,层错机制,孪晶机制、重入角机制以及重入角生长和粗糙界面生长的协同机制。根据这些机制可以得出结论：任何可以在晶体生长表面提供台阶源的缺陷都能为晶体生长作出贡献,这些台阶源包括完全台阶和不完全台阶（亚台阶）,近年来,P.Bennema及其合作者系统地研究了在照相工业中广泛应用的卤化银和金属银的晶体生长机理,在大量实验事实和理论分析的基础上,他们认为亚台阶理论（称作闵氏理论）不仅可适用于溶液生长,也适用于气相生长的机理研究;不仅适于作理论分析,而且可用于寻求最佳生产条件的指导,亚台阶理论是晶体生长的一个普适理论,文章介绍了闵乃本及其研究组提出理论及P.Bennema研究组近年来在这方面的工作进展。     

KABO晶体生长形态演化机理的分析

用高温晶体生长实时观察装置，发现了KABO晶体生长形态随着生长体系过饱和度的增大从六方形态逐渐向三角形态过渡，然后又从三角形态逐渐向六方枝蔓晶形态过渡的过程.通过KABO生长溶液高温拉曼谱的测试结果，证明了溶液中存在［BO₃］^3-三角形、［AlO₄］^5-四面体生长基元.运用负离子配位多面体生长基元理论模型，分析了KABO晶体上述生长形态演化的机理.发现KABO的生长形态是由其内部结构和生长基元共同决定的，在不同过饱和度溶液中，KABO生长基元的种类和维度将会发生变化，由此相应引起了KABO的生长形态从六方形态到三角形态，又从三角形态向六方枝蔓晶形态的演变过程. 关键词： KABO晶体 负离子配位多面体 生长形态 枝蔓晶     

用微量热法研究Zn（Val）Ac2在混合溶液中的稀释／结晶动力学

为了在量热实验中应用Burton Cabrera Frank(BCF)位错理论,设计了Zn(Val)Ac2在水 丙酮混合溶剂 中的稀释/结晶体系.为此,通过实验,首先确定了Zn(Val)Ac2在水 丙酮中稀释/结晶生长的最佳体积比为 1∶10.设计了测定该稀释/结晶生长过程的实验方法和框图,简要推导了该结晶生长过程的动力学方程,认为当 晶体生长过程中的BCF常数a和b远小于结晶生长速率常数k2和k1时,结晶过程即符合BCF理论.用微量热 法测定了反应体系分别在298.15、301.15、304.15和307.15K时的放热量及产热速率,计算得到了各温度下的 结晶生长速率常数k2×10-3和k1×10-3分别为3.60、3.92、4.22、4.47J/s和1.54、2.14、2.53、2.97L/s而相 应的BCF常数a×10-5和b×10-7的值分别为3.09、1.16、2.06、2.99J/s和1.10、0.53、1.03、1.66g/s,远比 k2和k1小,从而证明了该结晶过程符合BCF位错理论,说明在一定条件下,BCF位错理论可应用于微量热实 验中.     

GGG单晶的助熔生长与成核温度的确定

我们研究了GGG单晶的助熔生长,实验证明在PbO-PbF₂系助熔剂中GGG结晶的组分范围相当宽,生长相当稳定,而且位错密度较低。用感生条纹技术确定了GGG晶体生长的成核温度。 关键词：     

GaAs晶体生长缺陷的正电子湮没研究

本文介绍用正电子湮没寿命和多普勒加宽技术研究750—950°掺Te液相外延生长的和1238℃熔体生长的GaAs晶体生长缺陷. 在800—1238℃生长的晶体中都观测到312±11ps的寿命组分τ₂, 其强度I₂, 多普勒加宽S参加和按捕获模型计算的平均寿命τ都随晶体生长温度增高而增大. 在掺Te外延晶体中, 312ps寿命的正电子陷阱浓度随晶体生长温度增高而线性地增大, 在熔体生长晶体中, 该陷阱浓度低得多, 远偏离以上线性关系. 312ps寿命归因于正电子在Ga空位湮没寿命, 结果显示出掺Te在GaAs晶体中诱导Ga空位.     

AlN晶体物理气相传输法生长坩埚的热场分析

采用物理气相传输法在钨制坩埚上制备AlN单晶．通过采用COMSOL软件中的固体传热和磁场模块,对AlN晶体生长的坩埚的热场进行仿真,同时针对不同的线圈直径以及不同的线圈位置对坩埚热场的影响进行模拟,提出了相应的处理方式．结果表明:当线圈直径增大,坩埚结晶区和升华区的温度在相同的加热时间下会增加,并且增加的温度存在峰值．当线圈的垂直位置发生变化的时候,结晶区和升华区的温度场也会发生变化,从上向下移动的过程中仍然存在温度的峰值,并且结晶区和升华区的温度关系会发生翻转,导致温度梯度阻碍晶体生长．在晶体生长过程中升华区和结晶区的温度关系依旧会发生翻转．但是通过线圈跟随籽晶表面生长层的变厚而同步移动,可以保持相对稳定的温度关系,维持晶体正常持续生长．     

GaAs晶体在不同应变下生长过程的分子动力学模拟

GaAs晶体的高质量生长对于制造高性能高频微波电子器件和发光器件具有重要意义.本文通过分子动力学方法对GaAs晶体沿[110]晶向的诱导结晶进行模拟,并采用最大标准团簇分析、双体分布函数和可视化等方法研究应变对生长过程和缺陷形成的影响.结果表明,不同应变条件下GaAs晶体的结晶过程发生显著变化.在初始阶段,施加一定拉应变和较大的压应变后,体系的晶体生长速率发生降低,且应变越大,结晶速率越低.此外,随着晶体的生长,体系形成以{111}小平面为边界的锯齿形界面,生长平面与{111}小平面之间的夹角影响固液界面的形态,进而影响孪晶的形成.施加拉应变越大,此夹角越小,形成孪晶缺陷越多,结构越不规则.同时,体系中极大部分的位错与孪晶存在伴生关系,应变的施加可以抑制或促进位错的形核,合适的应变甚至可以使晶体无位错生长.本文从原子尺度上研究GaAs的微观结构演化,可为晶体生长理论提供理论指导.     

休伦法在观测溶液浓度分布中的应用

休伦法 (Schlierenmethod)在观察物质流的折射率梯度方面的应用已有相当长的历史。对该方法进行改进 ,将其引入晶体生长的监控领域。介绍了该方法的原理及测量公式 ,并进行了实验观察 ,取得了比较理想的定性结果。结果表明 ,用这一方法可以很方便地观测透明物质或溶液中的折射率梯度或浓度的分布情况 ,特别是在晶体生长检测领域中有着广泛的应用前景。     

均聚物结晶与熔融化转变的稳态和亚稳态统计理论Ⅳ 分子分凝统计结晶动力学~结晶增长区域的区划和它们对温度和生长机制的依赖性

首先对高分子结晶增长动力学的实验规律进行全面总结,并指出了当前高分子结晶增长动力理论中存在的难题.然后按我们建议的评估微晶粒尺寸增长速率的新方法推导出了四种不同微观生长机制(折叠、伸直、折叠同伸直并联并存和折叠同伸直串联并存等方式)下微晶粒高分子链组的微晶粒尺寸增长速率定量表征式,又导出了四种不同生长机制下微晶粒尺寸增长速率同结晶温度和过冷温度间关系的表达式.根据四种不同微观生长机制同宏观增长方式差别和它们出现的结晶温度同过冷温度之积值高低,可把结晶动力学的结晶增长区域图中三组交叉线区划为三个不同增长区域,最后又根据三个增长区的理论关系式讨论了增长区中晶体形貌同结晶温度和过冷温度间的相关性,其理论预测能同近期实验观测基本符合.     

掺钛宝石可调谐激光器及其进展

１９８２年掺钛宝石（Ｔｉ３＋Ａｌ２Ｏ３）晶体第一次产生可调谐激光，该晶体性能优异，晶体的物理和化学性质与红宝石相似．Ｔｉ３＋离子能级结构有利于产生具有宽吸收和宽荧光谱的激光．晶体生长的关键是提高掺钛浓度和克服钛离子变价．美国、苏联、中国已生长出这种激光晶体．掺钦宝石可调谐激光器可调范围为 ６７０－１０００ｎｍ，光泵连续输出已达１．６ｗ，脉冲输出为１００ ｍＪ，总效率为４０％，灯泵阈值为２０Ｊ，输出为３００ｍＪ． 预期效率可望达５％．将其倍频，可实现单一系统全可见区可调谐．中国科学院安激光学精密机械研究所已实现６７７－９８７ｎｍ可调谐激光．