晶体生长过程的分子动力学模拟研究

本文采用晶液两层构型方法,分子动力学模拟研究了ＲｂＣｌ和β－ＢａＢ２Ｏｒ（ＢＢＯ）两种晶体的生长过程,模拟ＲｂＣｌ的晶体生长,可以清晰地观察到结晶时固液界面的运动过程,表明对于简单离子晶体、Ｆｕｍｉ－Ｔｏｓｉ势和由宏观压缩模量得到的势参数很好的反映了离子间相互作用。ＢＢＯ的晶体生长模拟使用与ＲｂＣｌ环束缚约束时,实现了ＢＢＯ晶体模拟生长。模拟结果表明,ＢＢＯ结晶可能仅在熔体中存在一定量（Ｂ３Ｏ６）     

泡生法大尺寸蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响

采用有限元法,对泡生法生长蓝宝石晶体不同生长阶段固液界面的形状和温度梯度进行模拟计算,探讨分析了生长速率对放肩、等径阶段蓝宝石生长的影响.结果表明:固液界面凸出度在放肩阶段较大,在等径阶段凸出度相对较小,固液界面温度梯度随着晶体生长不断减小.在合理速率范围内,放肩阶段0～2 mm/h,速率对固液界面的影响很小,等径阶段2～5 mm/h,速率对固液界面的影响越来越大,固液界面温度梯度和形变均随速率的增大而减小.利用模拟结果,调节实际晶体生长工艺参数,成功长出80 kg的大尺寸高质量蓝宝石晶体.     

泡生法生长蓝宝石晶体中固液界面形状的数值模拟研究

在泡生法蓝宝石单晶生长中,固液界面形状对晶体生长质量影响极大.本文针对泡生法蓝宝石晶体生长进行数值模拟,研究了晶体半透明性、放肩角、底部钼屏保温层厚度、加热器侧部和底部功率分配比等对固液界面形状的影响.模拟结果发现:不考虑蓝宝石晶体的半透明性,则固液界面凹向熔体生长,反之则固液界面凸向熔体生长;放肩角增大、底部钼屏保温层增厚,都造成固液界面凸度减小;加热器侧部与底部的功率比增大,则固液界面凸度增大.实际的固液界面形状取决于多种参数的综合作用.     

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.     

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.     

晶体生长机制和生长动力学的蒙特卡罗模拟研究

采用动力学蒙特卡罗方法,对在完整光滑界面上低过饱和度溶液中的晶体生长机制和动态过程进行计算机模拟,得到了晶体生长速率与溶液过饱和度之间的关系以及晶体生长的表面形态.对以二维成核为主要生长机制的动力学生长规律进行分析,发现了二维成核生长的生长死区以及单核生长转变为多核生长时的过饱和度临界值,讨论了热粗糙度、表面扩散、台阶平均高度以及表面尺寸对晶体平均生长速率的影响.     

PbWO4晶体的生长及其光学性能的研究

本文报道了新型闪烁晶体ＰｂＷＯ４的生长，研究了晶体的生长工艺，获得较为平坦的固液界面，消除晶体生长中产生的缺陷，测试了晶体的光学性能；探讨了ＰｂＷＯ４晶体的着色机理。     

液面位置对Ф300mm硅单晶固液界面形状影响的数值计算

数值模拟技术已经成为分析和优化工业化晶体生长工艺必不可少的工具。本文利用有限元分析软件计算了Ф300mm直拉硅单晶生长过程中,不同液面位置时的晶体固液界面形状,模拟计算考虑了热传导、辐射、气流等物理现象,分析了晶体长度和液面位置对晶体生长界面形状的影响,得出了随着晶体长度的增加固液界面的凸度会增大的规律。     

高拉速对?300 mm单晶硅点缺陷分布及生产能耗的影响

大尺寸直拉单晶硅的“增效降本”是当前光伏企业急需解决的问题。本文采用有限元体积法对?300 mm直拉单晶硅生长过程分别进行稳态和非稳态全局模拟，研究提高拉晶速率对直拉单晶硅生长过程中的固液界面、点缺陷分布以及生长能耗的影响。结果表明：拉晶速率提高为1.6 mm/min时固液界面的偏移量为33 mm,不会影响晶体的稳定生长；拉晶速率对晶体中点缺陷的分布起决定性作用，提高拉晶速率不仅能降低自间隙点缺陷的浓度，而且使晶棒内V/G始终高于临界值；且拉晶速率对功率消耗影响较大，提高拉晶速率后晶体生长时间减少了46.4%,单根晶体生长消耗功率降低了约4.97%。优化和控制适宜的拉晶速率有利于低成本地生长特定点缺陷分布甚至无点缺陷单晶硅，为提高大尺寸直拉单晶硅质量、降低生产能耗提供一定的理论支持。     

液面位置对φ300mm硅单晶固液界面形状影响的数值计算

数值模拟技术已经成为分析和优化工业化晶体生长工艺必不可少的工具.本文利用有限元分析软件计算了φ300 mm直拉硅单晶生长过程中,不同液面位置时的晶体固液界面形状,模拟计算考虑了热传导、辐射、气流等物理现象,分析了晶体长度和液面位置对晶体生长界面形状的影响,得出了随着晶体长度的增加固液界面的凸度会增大的规律.     

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。     

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。     

新型有机非线性光学晶体-L-苹果酸脲晶体生长的初步探讨

本文初步探讨了新型非线性光学晶体-L-苹果酸脲的晶体生长,研究结果表明,L-苹果酸脲晶体在甲醇、乙醇和水三种介质中的溶解度温度系数均较大,同温度下L-苹果酸脲晶体在水中的溶解度最大,无水甲醇次之,无水乙醇中最小.L-苹果酸脲晶体在无水甲醇中的成核自由能比在无水乙醇中的低得多,因此在无水甲醇中易于成核,晶核数多,晶体尺寸小,而在无水乙醇介质中,虽然成核相对比较困难一些,但有利于制备大的单晶,且发现低温有利于大晶体的生长.因此宜选择无水乙醇为晶体生长介质.L-苹果酸脲晶体在介质中以非均匀成核方式在试管壁成核长大,晶体呈棱柱状,生长过程中呈现台阶生长的特征.     

从矿物宝石到光电功能晶体——解读蒋民华先生《晶体赋》

晶体美丽有用,构造和谐有序。光电功能晶体可实现光能和电能的相互转化,在微电子、光电子、通信、航天及现代军事技术等高科技领域占有重要地位。人类认识晶体,源于天然矿物。从矿物晶体的发现到光电功能晶体的人工生长和应用经历了漫长的发展,晶体种类、晶体质量、生长理论、生长技术以及应用等方面均取得了较大进展。本文简述了从矿物宝石到晶体学发展的历程,介绍了压电晶体、电光晶体、激光晶体、非线性光学晶体和闪烁晶体等几类光电功能晶体发展历程及晶体生长研究的进展,展望了未来光电功能晶体的发展趋势。     

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。     

近化学计量比钽酸锂晶体-生长技术和成分测试方法

近化学计量比钽酸锂晶体的各种优越的物理性质已经吸引了众多研究者们的兴趣.常规提拉法生长的钽酸锂是一种非化学计量比的晶体,晶体中存在大量的本征缺陷,限制了其在高性能器件的应用.研究者们都在努力寻找一种能生长大尺寸高质量晶体的方法,并利用晶体的各种性质制造相应的功能器件.本文综述主要介绍了同成分钽酸锂晶体的缺陷结构和未掺杂和掺镁近化学计量比钽酸锂晶体的生长技术及成分测试方法.     

Experimental Study of Interface Inversion of Tb3ScxAl5‐xO12 Single Crystals Grown by the Czochralski Method

Thermal conditions and rotation rate were examined experimentally for obtaining a flat interface growth of high melting‐point oxide (Tb₃Sc_xAl_5‐xO₁₂ ‐ TSAG) by the Czochralski method. The critical crystal rotation rate can be significantly reduced, of about twice at low and very low temperature gradients comparing to medium temperature gradients in the melt and surroundings of the crystal. The interface shape of TSAG crystals is not very sensitive on crystal rotation rate at small rotations and becomes very sensitive at higher rotations, when the interface transition takes place. The range of crystal rotation rates during the interface transition from convex to concave decreases with a decrease of temperature gradients. At low temperature gradients interface inversion crystals takes place in very narrow range of rotation rates, which does not allow one to growth such crystals with the flat interface. Even changing crystal rotation rate during the growth process in a suitable manner did not prevent the interface inversion from convex to concave and thus did not allow to obtain and maintain the flat interface.     

助熔剂法生长ZnO晶体

采用Bi4B2O9、CdB2O4和BaB2O4为助熔剂,获得了毫米级的氧化锌单晶.Muiliken的电负性理论和Viting的平均轨道电负性提供了一个选择晶体生长所采用的助熔剂的有效方法.实验结果表明ZnO晶体的生长温度比文献报道的均低,从而有效地减少了ZnO以及助熔剂的挥发.本文给出了几种有望获得大尺寸ZnO单晶的助熔剂.     

Ⅰ类高氘DKDP晶片性能研究

受到晶体尺寸以及非线性光学性能的影响,目前可供选择的非线性晶体非常有限。DKDP晶体作为传统大尺寸光电材料,在光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置中得到了应用。高氘化的DKDP晶体有更好的光学性能,然而生长出高氘化DKDP晶体对生长环境等有更加严格的要求。本文通过改良的原料合成罐以及生长槽,采用点籽晶快速生长法成功生长出高氘DKDP晶体。按照Ⅰ类(θ=37.23°, φ=45°)切割方式制备样品,并对其氘含量、透过率、光学均匀性以及晶体激光损伤阈值进行测试。实验结果表明,晶体的平均氘含量达到98.49%,在可见-近红外波段下具有较宽的透过波段和较高的透过性能。R-on-1的测试结果显示,在3 ns、527 nm条件下,DKDP晶体的激光损伤阈值达到了19.92 J/cm²。晶体光学均匀性均方根达到了1.833×10^-9,表明晶体具有良好的光学均匀性。     

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.