光学材料结晶化研究

本文通过分析光学材料中光谱与温度之间的关系证实了晶体生长过程中的相变团簇模型,认为晶体内部热辐射流是引起固-液界边界层温度场发生传导的可能原因.引入了前结晶的概念,并结合实际中的不同晶体生长方法讨论了包裹体及气泡的抑止机理,通过计算得到了生长理想晶体的最大生长速率并且解释了由于界面层的摆动使得晶体生长过程中产生的微气泡没有被移动的界面层所捕获.     

晶体生长时的固液相结构变化分析

晶体的溶解、熔化以及结晶成核生长时的固液相原子结构是怎样变化的,晶体生长时的生长基元是原子还是原子团.本文根据各种材料液相结构的最新研究结果,提出不饱和配位结构转换模式,并以此模式对各种常见晶体材料从溶解、熔化到结晶生长时的液态母相结构变化以及晶体成核过程进行了描述和分析,认为晶体生长时的界面结构和液相结构十分接近,溶解、熔化主要是晶体表面的不饱和配位原子(离子)转换到液相结构的过程,晶体生长主要是液相中的不饱和配位原子(离子)转换到固液生长界面的位错位置,使配位结构更饱和的过程.随着液相过饱和度的增大,液相结构单元的原子数越来越多,吸附到晶体生长界面若来不及转换回液相,就形成新的位错生长中心,形成晶体生长缺陷.     

结晶生长的化学键合理论

针对一般晶体的生长过程,在测定相应溶液(熔体)组成结构的基础上,我们引入了晶体生长过渡相区的概念,并采用键价模型来衡量生长过程中发生变化的化学键的键强度。过饱和溶液(熔体)中的生长单元经过生长过渡相区时,依据彼此之间弱的化学键合作用来微调其内部强的化学键,并以单个生长单元或者生长单元的简单连接体的形式键合进入晶格。在整个结晶生长过程中,生长单元之间弱的键合作用对整个结晶过程(生长速度、晶相的形成)起着决定性作用;同时,中等强度的化学键在生长过渡相区中的变化情况对晶体的最终形貌具有重要影响。     

固态材料形成过程中的晶体生长机理探讨

同样由熔体凝固、溶液沉淀或者气相沉积出来,为什么有的材料呈晶相,有的呈非晶相? 晶体生长是由自组装形成的还是由外界条件决定的?是哪项因素决定了晶体生长时原子的有序排列?本文根据实际现象,用晶体生长的热力学理论分析了逆向离子解离对晶体成核及生长的作用机理,并对固态材料的形成与晶体成核生长之间的关系也作了进一步的阐述和分析,由此得出结论认为,由化学键结合的材料在晶体生长时必须伴随着逆向离子解离平衡,正是固态材料形成过程中的逆向离子解离过程,如同时伴随着电离的溶解、熔化及升华过程,决定了晶体生长时原子的有序排列.     

铝层厚度对铝诱导非晶硅薄膜晶化过程的影响

基于铝诱导非晶硅薄膜固相晶化方法,利用直流磁控溅射离子镀技术制备了Al/Si/…Al/Si/glass周期性结构的薄膜.采用真空退火炉对Al/Si多层薄膜进行了500℃退火实验,通过透射电子显微镜(TEM)分析了退火前、后Al/Si多层薄膜截面形貌的变化规律,并结合扩散过程探讨了铝层厚度对铝诱导非晶硅薄膜晶化过程的本质影响机理.研究结果表明:在铝诱导非晶硅薄膜固相晶化过程中,随退火过程的进行,Al、Si原子会沿Al/si层间界面进行互扩散运动且在Si层中达到临界浓度Cs的Al原子所在区域整体呈线形平行于Al/Si界面逐渐向铝原子扩散距离增大的方向推进;随着Al层厚度的增加,Al在Si层中达到临界浓度Cs的区域整体向前推进速度加快,已扩散区域产生硅初始晶核的数量也随之增大;随Al/Si层厚比的增大,虽因铝诱导而晶化的硅薄膜均为多晶态,但非晶硅薄膜在晶化过程中的生长晶面数量增多,同时硅晶粒的尺寸有所减小.     

ZnO过渡层对Au/Hg3In2Te6肖特基接触特性的影响研究

利用脉冲激光沉积技术在Hg3In2Te6晶体表面制备ZnO过渡层,并对ZnO过渡层进行了表征.结合X射线光电子能谱深度剖析对ZnO/Hg3In2Te6界面元素的化合态进行研究,并通过半导体参数分析仪对Au/ZnO/Hg3In2Te6肖特基接触电学特性进行测试.研究结果表明,采用本实验条件可在Hg3In2Te6晶体表面获得结晶度高、表面粗糙度低,且沿(002)晶面择优生长的ZnO过渡层.同时,ZnO过渡层的引入使Au/Hg3In2Te6肖特基接触的漏电流降低一个数量级,势垒高度提高6.5;.这种现象可能是由于ZnO/Hg3In2Te6界面存在的互扩散使O原子占据了Hg原子空位,从而降低耗尽层中能级缺陷而引起.     

固相晶体生长技术的发展 ——从籽晶诱导到无籽晶生长

文章综合概述了固相法晶体生长技术的发展过程与研究进展.首先,回顾了在陶瓷烧结与冶金工艺中经常出现的晶粒异常长大现象,以及由此发展起来的固相法晶体生长技术.对固相法晶体生长工艺和应用领域等进行了简要介绍,对固相法晶体生长技术的典型应用案例和发展历程进行了叙述.然后,着重介绍了一种新的固相晶体生长技术——无籽晶固相晶体生长技术.对无籽晶固相晶体生长技术在无铅铁电压电晶体—铌酸钾钠基晶体中的应用进行详细介绍,并将该方法与常规的高温熔体法和籽晶诱导固相法晶体生长技术的特点进行了比较.最后,在介绍当前关于固相法晶体生长机理讨论的基础上,针对无籽晶固相晶体生长技术,提出了一种新的综合机制模型,力图解释无籽晶固相晶体生长的机理.对无籽晶固相晶体生长技术当前存在的问题以及未来的发展,分别进行了简要的说明与展望.     

Bridgman法晶体生长技术的研究进展

本文首先分析了Bridgman法晶体生长的工作原理,以及生长速率和温度场控制方法。其次从单晶的获得,结晶界面的宏观形貌和微观形貌形成原理的角度讨论了Bridgman法晶体生长过程结晶组织控制的原理。进而分析了Bridgman法晶体生长过程中结晶界面上的溶质分凝及其再分配行为,由此获得了晶体中的成分偏析规律。最后,介绍了近年来Bridgman晶体生长过程控制技术的研究进展,包括强制对流控制技术,电磁控制技术,重力场控制技术及其高压Bridgman法等。     

PbWO4晶体中的生长层研究

利用光学显微镜和电子探针研究了存在于钨酸铅晶体中的生长层,确定这些生长层的成分为固体的铂金颗粒.根据对PbO和WO3原料所做的GDMS分析结果,排除了这些铂金颗粒来自原料的可能性,而是认为它们来自生长晶体所用的铂金坩埚.并在此基础上提出,PbO-WO3熔体在高温下对铂金坩埚的熔蚀和溶解为生长层的形成提供了物质基础,但由于停电、停降或温度波动而导致固液界面的暂时静止则为熔体中铂金的析出和沉降提供了机会和场所.为抑制生长层的出现,建议在生长过程中适当降低液相区的温度或适当缩短晶体的生长周期.     

改进热交换法生长蓝宝石晶体的气泡研究

采用改进的热交换法生长的蓝宝石晶体,气泡是其主要缺陷之一.本文采用数值模拟研究了晶体生长过程中氦气流量对坩埚内温场、固液界面形状的影响.并结合晶体生长实验结果,分析了在实际的晶体生长过程中,氦气流量的线性增加对晶体内气泡的尺寸、形态和分布的影响.     

Study of potassium titanyl phosphate (KTP) flux growth by holographic phase-contrast interferometric microphotography

This paper describes a special set of equipment we designed, which is suitable to be used to study the high temperature solution growth process by optical method. The variation regularities of the solid-liquid interface boundary layer in the potassium titanyl phosphate (KTP) crystal growth and dissolution process have been investigated by holographic phase-contrast interferometric microphotography. It has been found that under the condition of free convection, the relation between the thickness of the boundary layer and supersaturation is linear. Moreover, the variation of refractive index caused by the change of solute concentration in the boundary layer will form an exponential function of the distance from the crystal face.     

Comparison of thermodynamic and kinetic models of single‐layer crystal–mother‐phase interface

Simple analytical kinetic model of single‐layer crystal–mother‐phase interface is proposed, which provides results that can be compared directly with thermodynamic Jackson model. Both models are based on zeroth order approximation known from lattice‐gas models, in which solid and fluid growth units are treated as mixed randomly in the interface layer. It is shown that the kinetic and thermodynamic approaches can lead to very similar predictions about growth mechanism. The parameters characterising growth conditions, obtained from these models, are significantly different from those obtained from Monte Carlo simulations applied to study stable states of single‐layer interface. Monte Carlo calculations describe crystal growth in detail and their results can predict characteristic parameters for real experiment. Observed differences seem to be strongly influenced by the use of zeroth order approximation. (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

利用界面调控制备二维有机半导体晶体及其机制研究

二维有机半导体晶体是利用分子间的范德瓦耳斯力进行自组装生长的单晶材料。本质上的单晶属性使其具备优异的电学特性。更重要的是,二维极限下增强的界面特性能够大幅调控器件行为,为构建多功能界面器件提供可能。此外,充分暴露的电荷输运沟道和极少的晶面内缺陷能够为研究本征的有机电子输运特性创造可能。目前,对于二维有机半导体晶体的生长工艺研究已经取得了较大的进展,但是从理论层面上研究二维晶体生长的自组装过程仍然十分匮乏。本工作利用添加剂辅助结晶技术成功制备出二维有机半导体晶体,并通过偏光显微镜和原子力显微镜对二维晶体进行了全面的表面形貌和结构表征。通过SEM结合EDS技术对关键的形核界面进行了结构和组成的表征以研究晶体生长的机制。研究结果表明:在添加剂界面上,生长材料能够稳定形核,并计算出添加剂构建的有利界面能够将形核势垒降低为SiO₂界面上的1/5。这项工作充分展现了生长界面对于晶体生长的关键作用,并从理论上揭示了界面的调控行为,为二维有机半导体晶体的生长工艺设计提供了可靠的思路。     

移动加热器法生长碲锌镉晶体的组分输运与界面形貌研究

移动加热器法(THM)生长碲锌镉晶体时,界面稳定性对晶体生长的质量有很大影响。本文基于多物理场有限元仿真软件Comsol建立了THM生长碲锌镉晶体的数值模拟模型,讨论了Te边界层与组分过冷区之间的关系,对不同生长阶段的物理场、Te边界层与组分过冷区进行仿真研究,最后讨论了微重力对物理场分布的影响,并对比了微重力与正常重力下的生长界面形貌。模拟结果表明,Te边界层与组分过冷区的分布趋势是一致的,在不同生长阶段,流场中次生涡旋的位置会发生移动,从而导致生长界面的形貌随着生长的进行发生变化,同时微重力条件下形成的生长界面形貌最有利于单晶生长。因此,在晶体生长的中前期,对次生涡旋位置的控制和对组分过冷的削弱,是THM生长高质量晶体的有效方案。     

碲锌镉垂直布里奇曼法晶体生长过程固液界面的演化

计算模拟了半导体材料碲锌镉垂直布里奇曼法单晶体生长过程,以等温线图展示了固液界面形状的演化,分析了温度梯度和坩埚移动速率对固液界面形状以及晶体内组分偏析的影响.计算结果表明在凝固的初始段,固液界面的凹陷深度较大,随后有较大幅度的减小.整个凝固过程中固液界面的凹陷深度值有一定的波动性.提高温度梯度、降低坩埚移动速率均能有效地减小固液界面的凹陷,改善晶体的径向组分偏析.     

LED用硅掺杂GaAs晶体的生长与表征

采用坩埚下降法生长了LED用硅掺杂<511>取向的GaAs晶体.选用带籽最槽的PBN坩埚作为生长容器,密封在石英安瓶中以防止生长过程中As蒸汽挥发.研究了掺杂工艺、固液界面形貌和生长缺陷.结果表明:孪晶化是硅掺杂GaAs晶体生长的主要问题.探讨了孪晶形成机理,优化了生长工艺,成功获得了直径2英寸高质量的硅掺杂GaAs晶体,双摇摆曲线显示所得晶体的FWHM为40 arcsec.     

生长气氛和速度在金红石(TiO2)单晶体生长中的作用研究

本文研究了生长气氛和生长速度在焰熔法金红石单晶体生长中的作用,对比了晶体在空气中与在氧气中退火的结果,测定了晶体试样的摇摆曲线和透过率.研究表明:金红石单晶体的生长受炉膛气氛、生长界面温度和生长速度的影响;炉膛气氛决定晶体能否形成,是关键因素;炉膛气氛中的氧分压大于液固界面(即生长界面)处熔体的氧离解压是生长完整晶体的前提条件;晶体在退火过程中消除热应力,但更重要的是通过氧化反应消除氧空位,在氧气氛中退火,可明显缩短退火时间.在所优化的实验条件下制备的晶体,完整性较好,透过率为70～72;,与商用晶体的透过率基本一致.     

多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展

论述了多晶硅晶体生长技术的研究现状,探讨了多晶硅在定向凝固过程中的生长机制,重点阐述了多晶硅定向生长中固-液界面的形貌、杂质分布、数学模型、数值模拟以及外场对界面调控的影响,归纳总结目前国内外多晶硅生长界面的研究现状,展望了多晶硅晶体生长过程中固-液界面调控技术的发展前景.     

Numerical simulation of thermal and mass transport during Czochralski crystal growth of sapphire

The thermal and flow transport in an inductively heated Czochralski crystal growth furnace during a crystal growth process is investigated numerically. The temperature and flow fields inside the furnace, coupled with the heat generation in the iridium crucible induced by the electromagnetic field generated by the RF coil, are computed. The results indicate that for an RF coil fixed in position during the growth process, although the maximum value of the magnetic, temperature and velocity fields decrease, the convexity of the crystal‐melt interface increases for longer crystal growth lengths. The convexity of the crystal‐melt interface and the power consumption can be reduced by adjusting the relative position between the crucible and the induction coil during growth. (© 2010 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

PVT法生长SiC过程生长界面形状对热应力的影响

PVT法生长SiC过程中晶体内部的热应力是其位错产生的主要原因,而生长界面的形状对晶体热应力及缺陷的产生都有一定影响.本文对不同生长界面晶体的温场及应力场进行了数值分析,结果显示相对于凸出及平整界面的晶体,微凹界面晶体的轴向温差最小,同时产生缺陷的切应力Τrz及引起开裂的径向正应力σrr值都为最小.