碳酸钙掺杂对Ⅰb型金刚石沿不同晶面生长行为的影响

作为天然金刚石生长环境的碳酸盐,研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法,将碳酸钙(CaCO₃)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中,用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象,晶体颜色先变浅再变黑,内部出现了包裹体;同样,沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象,晶体颜色逐渐变黑,内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大,半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析,为本课题后续研究奠定了基础。     

硫镓银晶体(112)面蚀坑形貌研究

本文报道了一种能在室温下对硫镓银晶体(112)面进行择优腐蚀的新腐蚀液配方,采用新腐蚀液对改进的Bridgman法生长的AgGaS2晶体进行腐蚀,用扫描电镜对蚀坑进行了观察,得到了清晰的(112)面蚀坑形貌,形状为三角锥形.初步解释了蚀坑的形成原因.AgGaS2晶体低指数的{100}面的腐蚀速度较慢,在腐蚀过程中逐渐显露出来,最终使晶体(112)面呈现出三角锥形蚀坑形貌.     

L-精氨酸掺杂下ZTS溶液的稳定性研究

研究了L-精氨酸掺杂下硫脲硫酸锌(ZTS)溶液中的成核过程,测量了在不同掺杂浓度下ZTS溶液的亚稳区和诱导期.结果表明:随掺杂浓度的增加,溶液的亚稳区变宽,诱导期增大;根据经典成核理论计算了晶体的成核热、动力学参数,分析了溶液稳定性与掺杂浓度的关系,即随着L-精氨酸掺杂浓度的增加,溶液的稳定性得到明显提高.利用化学腐蚀法对ZTS晶体(100)面进行了腐蚀,并用光学显微镜对腐蚀面进行观察,得到了清晰的位错蚀坑.当L-精氨酸掺杂浓度为1.5mol;时,ZTS晶体(100)面位错蚀坑密度最小,适合高光学质量晶体的生长.     

高温闪烁晶体Ce:YAP的化学腐蚀形貌

本文报导了Ce:YAP晶体位错蚀坑的腐蚀条件;同时报导了几个主要晶面的位错蚀坑形貌,(100)面呈扁豆形,(010)面呈菱形,(101)面呈椭圆形,这些形状与各自晶面的对称性一致.通过蚀坑形貌在晶体横截面内观察到了小面生长核心区和熔质尾迹等缺陷,并分析了其成因.     

碲锌镉单晶体的(110)面蚀坑形貌观察

本文报道了一种能够在室温下择优腐蚀碲锌镉(CZT)单晶体(110)晶面的腐蚀液配方,并对富Cd生长的CZT晶体蚀坑形貌进行了扫描电镜观察.结果表明晶体(110)面腐蚀坑形状为三角形,并初步对蚀坑的成因进行了分析,估算出CZT(110)面蚀坑密度约为103～105/cm2数量级.这说明富Cd原料的改进布里奇曼法可以生长出低蚀坑密度的CZT单晶体.     

人工合成金刚石表面三角锥缺陷的存在机理研究

天然金刚石主要生长面为{111},在其表面经常会存在大量凹陷的金字塔状或者底面平整的三角锥蚀坑缺陷,这种缺陷很少出现在人工合成金刚石单晶的表面.本研究在高温高压5.4 GPa、1550 K的条件下,以FeNi合金作为触媒,FeS为添加剂,利用温度梯度法(TGM)直接合成金刚石单晶的{111}表面同样发现有大量凹陷的金字塔状或者底面平整的三角锥蚀坑缺陷.而在体系中加入微量单质B时,高温高压直接合成金刚石单晶的{111}表面不仅存在大量金字塔状的三角锥蚀坑,还出现了天然金刚石表面不曾发现的大量规则的三角凸起平台和凸起的金字塔状或者顶面平整的三角锥缺陷.由此推断,尽管天然金刚石{111}表面经常出现的三角锥缺陷可能是在自然环境中后期腐蚀出现的,而在FeNi-C-FeS体系高温高压直接合成的金刚石单晶{111}表面出现的三角锥缺陷却是在晶体生长过程中直接形成的,FeS在这种表面缺陷的形成过程中起着不可或缺的作用.     

La-W共掺杂对AgSnO2触头材料热性能影响的仿真分析

针对目前较少有学者通过共掺杂其他元素对AgSnO2触头热性能进行研究的现状.采用对SnO2晶体进行非掺、单掺La和共掺La-W元素的方法,通过密度泛函理论、第一性原理以及CASTEP软件对掺杂体系的热学性质进行理论计算,得到了不同掺杂情况下SnO2晶体的声子谱、声子态密度及分波态密度和相关热力学参量,对计算结果和曲线图进行了理论分析.结果 表明:当掺杂浓度为16.67;时,共掺杂La-W元素的SnO2体系声子谱未出现虚频,而单掺La元素体系出现了虚频,说明共掺杂体系较稳定.通过分析态密度图及分波态密度图可以得到,W原子混合掺杂后可有效改善La原子的振动情况.通过SnO2晶体热力学性质的分析,共掺杂后体系的熵、自由能以及焓的曲线有较好改善,为AgSnO2触头材料在恶劣环境下受到损害后恢复到原状提供了有利条件.且掺杂后晶体的热容明显大于未掺杂晶体的热容,说明La-W元素的掺杂极大的激活了分子的运动活性.     

锌添加对大尺寸硼掺杂金刚石生长的影响

采用高温高压法在NiMnCo体系下,通过添加低熔点金属锌合成出硼掺杂金刚石晶体.探究锌添加剂对硼掺杂金刚石晶体合成条件、形貌、颜色的影响.实验结果表明在NiMnCo体系中,随着锌添加量增加,硼掺杂金刚石的合成压强和温度明显提高,晶体的颜色逐渐变黑;红外吸收光谱显示,随着锌添加量的增加,氮杂质特征吸收峰1130 cm-1和1344 cm-1逐渐消失,氮杂质含量降低至消失;1290 cm-、2460 cm-1、2800 cm-1硼相关吸收峰增强,即硼杂质的含量逐渐增多.在传统NiMnCo触媒体系下,锌的添加有利于硼原子进入金刚石晶格中去,本工作为合成高质量硼掺杂金刚石提供新的思路.     

4 inch低位错密度InP单晶的VGF生长及性质研究

采用高压垂直温度梯度凝固法(VGF)生长了非掺、掺硫和掺铁的4 inch直径(100)InP单晶,获得的单晶的平均位错密度均小于5000 cm-2.对4 inch InP晶片上进行多点X-射线双晶衍射测试, 其(004)X-射线双晶衍射峰的半峰宽约为30弧秒且分布均匀.与液封直拉法(LEC)相比, VGF-InP单晶生长过程的温度梯度很低,导致其孪晶出现的几率显著增加.然而大量晶体生长结果表明VGF-InP晶锭上出现孪晶后,通常晶体的生长方向仍为(100)方向,这确保从生长的4 inchVGF-InP(100)晶锭上仍能获得相当数量的2~4 inch(100)晶片.由于铁在InP中的分凝系数很小,掺Fe-InP单晶VGF生长过程中容易出现组份过冷,导致多晶生长.通过控制生长温度梯度及掺铁量,可获得较高的掺铁InP单晶成晶率.对VGF-InP单晶的电学性质、位错密度及位错的分布特点、晶体完整性等进行了研究.     

2μm波段激光晶体Tm:YAP的生长缺陷

采用提拉法沿a、b、c轴方向生长了Tm:YAP晶体,研究了该晶体的几种常见缺陷.通过化学腐蚀,利用光学显微镜观察了Tm:YAP晶体主要晶面的位错腐蚀坑形貌,发现在沿b轴生长晶体的(010)面上存在位错蚀坑密度不同的区域,对其成因进行了分析.借助偏光显微镜研究了晶体中的孪晶及消光现象,分析了成因并提出了消除措施.用He-Ne激光对晶体内的散射颗粒分布进行了研究,在扫描电镜(SEM)下观察到形状不规则的散射颗粒夹杂.上述研究结果对获得优质Tm:YAP晶体具有重要意义.     

Yb∶YAl3(BO3)4晶体形貌与生长速度的关系

观察测量了不同生长速度(相应于不同降温速度)自发成核生长的Yb∶YAl3(BO3)4晶体形貌。粒度较大(>2mm)的晶体不管降温速度快慢形态都很简单,只发育六方柱｛1120｝和菱面体｛1011｝;粒度较小(<2mm)的晶体形态随降温速度增快而变复杂,发育一些罕见的高指数晶面。说明在生长速度较快的条件下,在晶体生长早期,一些高能面发育,在晶体生长后期已尖灭了,晶体生长的大部分时间是在低能面｛1120｝和｛1011｝上进行的。对比了不同生长条件下晶面的粗糙度,随着降温速度的增快,六方柱面｛1120｝和菱面体面｛1011｝由光滑变粗糙,顶面｛0001｝永远是粗糙的。从晶体结构上定性地探讨了3种晶面的杰克逊因子α及生长机理     

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。     

过剩压法合成金刚石的表面特征与体缺陷的形成原因分析

利用不同的高温高压条件在石墨-Ni70Mn25Co5体系中合成出金刚石晶体.借助于多功能光学显微镜的明场和暗场观察,分析了金刚石几种常见晶面的表面特征和内部缺陷.实验观察到一些有规律性的生长现象:当过剩压力太大时,较低的合成温度容易形成骸晶;当过剩压力适度时,较低的合成温度会使金刚石产生大量的包裹体并形成枝蔓状的粗糙表面,而较高的合成温度导致金刚石形成生长台阶;当压力有明显的波动时,金刚石晶体出现层状结构甚至间断生长.在此基础上,提出了合成优质金刚石的必要条件.     

优质立方六面体金刚石大单晶的生长研究

高温高压静压触媒法合成的金刚石单晶,往往呈现六八面体形貌,因为立方六面体单晶{100}面的生长区间相对较小.本研究利用高温高压温度梯度法,自制Fe-Ni合金触媒,通过对合成组装和工艺进行合理调整后,控制晶体在相对低温适合{100}面生长区域内生长,得到的晶体均呈现完整立方六面体形貌;同时为抑制包裹体和其他杂质的进入,人为的提高晶体的径向平铺生长速度,抑制其轴向生长速度.以在33 h内合成的优质立方六面体晶体为例,晶体最大方向尺寸达到7.3 mm,重1.2克拉,其径向生长速度达到0.22 mm/h,轴向生长速度仅为0.08 mm/h,增重速度为7.3 mg/h.     

双掺离子在KTNNP晶体生长中的协同效应研究

本文采用高温溶液法生长了不同掺质浓度的较大尺寸掺Nd3+和Nb5+KTP(KTNNP)晶体,以X射线单晶衍射仪测定了所生长晶体的晶胞参数,以等离子发射光谱(ICP-AES)法系统测定了晶体中的掺质浓度。实验结果显示,掺Nd3+和Nb5+后,KTP晶体生长习性和形态发生了很大的变化,而且体系中Nd3+的分配系数明显增大,并随Nb5+浓度的增大而增大,从而体现了Nb5+对Nd3+的协同效应。另外,掺质后,晶体的单胞体积一般略有增大,但未呈现出规律性。     

FeNi、NiMnCo及其复合触媒中Ⅰb型金刚石的生长特性

本文以Ni₇₀Mn₂₅Co₅和Fe₆₄Ni₃₆合金及其复合合金作为触媒,采用高温高压温度梯度法在5.6 GPa压力下,对不同温度下沿(100)晶面生长的Ⅰb型金刚石的生长特性进行了研究,研究表明:以Fe₆₄Ni₃₆触媒合成出的金刚石在以(111)晶面为主的晶形高温生长范围内出现了一段约50 K范围的裂晶生长区,而以Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒合成的金刚石在生长温度范围内,特别是在以(111)晶面为主的晶体生长高温区域内容易出现连晶缺陷;高温下Fe₆₄Ni₃₆触媒过度熔融可能是晶体容易产生裂晶的原因,Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒熔体黏性较低可能是容易形成连晶的原因;采用两种触媒复合的方式有效避免了裂晶和连晶的产生;拉曼光谱表征发现连晶的晶体内部质量与单晶的晶体质量相近,裂晶中晶格畸变和杂质较多,晶体内应力较大,复合触媒体系合成的金刚石晶体内应力小,质量好。     

用不同粒度的籽晶生长优质宝石级金刚石单晶

利用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶过程中,由于籽晶接收碳源能力有限,单一晶种将很难完全吸收扩散下来的碳源,因而导致籽晶的粒度对晶体生长速度和品质都会产生很大影响.随着籽晶粒度的增大,晶体的生长速度增幅非常明显,但不是粒度越大越好,存在临界粒度,超过临界粒度,优质单晶就很难生长.以NiMnCo触媒为例,籽晶粒度由0.5mm增加到2.0mm后,晶体的生长速度可由1.0mg/h提高到3.0mg/h,但籽晶粒度超过2mm后,晶体内部包裹体大幅度增加.     

Identifying nucleation temperatures for lysozyme via differential scanning calorimetry

Production of diffraction-quality protein crystals mandates nucleation of a moderate number of crystals. Excessive nucleation can lead to many small crystals of poor morphology, making them useless for structural determination via X-ray crystallography. In this work, differential scanning calorimetry (DSC) and light scattering are utilized to delineate the liquid–liquid binodal in lysozyme solutions at concentrations typically used for crystal growth (10–50 mg/ml). Such cloud point temperatures are determined over a range of protein concentrations and compared to visually observed nucleation temperatures. In all cases, nucleation occurs at temperatures above the cloud point temperature. Thus, measurement of the cloud point temperature gives the crystal grower a bound on the protein crystal growth problem. Nucleation is reproducibly induced within 2°C of the cloud point temperature; while prior work indicates that growth, when carried out near the saturation temperature, yields high quality crystals. The ease of measuring the cloud point via turbidity measurements allows for the rational selection of an initial temperature to induce protein nucleation.     

System of Mathematical Models for the Analysis of Industrial FZ-Si-Crystal Growth Processes

A system of coupled mathematical models and the corresponding program package is developed to study the interface shape, heat transfer, thermal stresses, fluid flow as well as the transient dopant segregation in the floating zone (FZ) growth of large silicon crystals (diameter more than 100mm) grown by the needle-eye technique. The floating zone method with needle-eye technique is used to produce high-purity silicon single crystals for semiconductor devices to overcome the problems resulting from the use of crucibles. The high frequency electric current induced by the pancake induction coil, the temperature gradients and the feed/crystal rotation determine the free surface shape of the molten zone and cause the fluid motion. The quality of the growing crystal depends on the shape of the growth interface, the temperature gradients and corresponding thermal stresses in the single crystal, the fluid flow, and especially on the dopant segregation near the growth interface. From the calculated transient dopant concentration fields in the molten zone the macroscopic and microscopic resistivity distribution in the single crystal is derived. The numerical results of the resistivity distributions are compared with the resistivity distributions measured in the grown crystal.