空间高温氧化物晶体生长过程中流体效应的数字模拟研究

数字模拟方法可以模拟实际晶体生长过程,了解晶体生长参数的变化对晶体生长的影响.本文利用数字模拟的方法,在本实验室建立的空间二维实时观察装置中,对高温Li2B4O7熔液中生长KNbO3晶体的流体效应及温场进行了数字模拟研究,结果表明,在地面生长,熔液内部存在复杂的双涡流动模式,重力对熔液中的速度场和温场的分布产生强烈的作用,而在空间,当重力水平达到一定程度时,可以使熔液中的流动模式简单化,从而降低流动效应对传热、传质造成的不稳定性和不均匀性,有利于提高晶体生长的质量.同时通过对空间搭载实验与地面实验结果进行对比分析,与数字模拟分析的结果一致,随着重力水平的下降,熔液中的速度场,温场分布朝着稳态生长的方向发展,表面张力对流是形成均匀胞状晶体结构的主要因素.     

铝高温氧化过程中表面氧化物的有序转变及形貌观察

采用同步热分析(Simultaneous Thermal Analysis, STA)分析了Al在非高压空气下(压力0.2 MPa,流速20 NmL/min)的氧化过程.用X射线衍射(XRD)对铝粉颗粒表面生成的氧化物进行了物相分析并用扫描电镜(SEM)观察了表面形貌.研究结果表明,140 ℃铝开始氧化,300 ℃以上开始生成γ-Al2O3,一直持续至515 ℃左右.从666.1 ℃开始,表面生成氧化物的铝粉颗粒芯层中的铝熔融.从773 ℃开始,γ-Al2O3转变成α-Al2O3, 800 ℃,α-Al2O3开始生长,α-Al2O3的生长遵循Sigmoid(Boltzmann)模型.整个氧化过程,铝粉的氧化占主要地位,但也包括铝粉的氮化.XRD、SEM的分析结果表明,表面生成的AlN及α-Al2O3为纳米级,弥散分布于铝粉颗粒表面.     

蓝宝石晶体生长过程中粘锅现象的实验研究

采用泡生法生长蓝宝石晶体的过程中,经常遇到粘锅问题.通过不同炉次的实验研究,分别分析了放肩阶段、等径生长阶段、收尾阶段等生长过程中产生粘锅的原因.指出温场的对称性是消除粘锅现象的最重要方式之一.同时,在放肩结束段及收尾阶段,为避免粘锅,可采用适当增大拉速及增加功率的措施.     

Cz法单晶硅生长过程功率及流体流动的实验研究与数值模拟

本文建立了一个二维全局模型对120 KG单晶硅炉的热系统进行了数值模拟.通过对温场的单独模拟以及温场流场的耦合模拟得到了不同模型下晶体生长所需要的功率,并将两组模拟值与实验数据进行对比得到了加入流体流动后系统所产生的功率损耗.同时对晶体生长过程的分阶段模拟得到了晶体生长过程热系统温度分布的变化规律以及熔体流动的变化规律.结果显示,在整个晶体生长过程中流体流动所产生的功率损耗占实际功率的21.6;左右.     

KDP晶体生长过程中溶液稳定性的研究

在KDP晶体生长过程中,溶液的稳定性对KDP晶体的光学质量影响较大.溶液的稳定性是多种因素共同作用的结果.本文主要研究了过饱和KDP溶液中晶胚的分布情况、降温过程中晶体生长驱动力与降温速度之间的关系,并分析了KDP晶体实际生长过程中影响溶液稳定性的主要因素.我们认为,通过改善KDP晶体生长过程中溶液的稳定性,并与其它措施和技术相结合,是提高KDP晶体光学质量的有效途径.     

传统法KH2PO4(KDP)晶体生长温场和速度场的数值模拟研究

在不同转速下用传统法生长了KDP晶体,并根据生长槽的实际情况,建立了三维数学模型.利用有限容积法,对晶体生长槽内的速度场和温度场进行了数值模拟,分析了不同晶体转速和晶体生长对速度场和温度场的影响规律.结果表明,随着晶体转速的增大,溶液流速越来越大,晶体生长更快,杂晶减少;较高转速(55 r/min和77r/min)较于较低转速(9.0～40 r/min)更有利于晶体生长.     

高温溶液中ZnO的析晶行为与晶体生长研究

采用MoO3、V2O5和PbF2为助熔剂,在坩埚下降法生长炉中研究了ZnO的析晶行为和晶体生长.结果表明,对于M0O3-ZnO高温溶液体系,下降或降温过程中首先析出ZnO,但随着温度继续下降,析出了ZnMoO4晶体;对于V2O5-ZnO体系,通气速率为1.5 L/min时底部出现5mm厚的绿色ZnO多晶,无法获得单晶;对于PbF2-ZnO体系,自发成核获得了10 mm × 10 mm×0.7 mm的ZnO晶体薄片,在2 L/rain通气速率下诱导成核生长出φ25mm×5 mm的ZnO单晶.     

交变磁场中硅熔液的电磁力有限元分析

从电磁场的基本理论出发,本文利用ANSYS软件数值模拟了片状加热器硅晶体生长炉中的磁场和电磁力情况,采用有限元法对三相交流电产生的电磁场进行了三维数值求解,并进行了实验验证.结果表明:硅熔液在交变磁场下所受电磁力的空间分布呈周向性,且硅熔液边角处的电磁力最大,而不同电压相序下的电磁力方向是相反的,从而也导致了硅熔液的不同流动,最终模拟结果与实验现象符合良好.本文为进一步研发铸锭方式下进行的硅晶体生长技术提供了有价值的借鉴.     

超高压高温下石墨向金刚石直接转变的EET理论分析

石墨向金刚石在超高压高温下的转变机理经过了数十年的探讨,至今未形成定论.本文根据固体和分子经验电子理论(EET理论),分别计算了静压超高压高温条件下立方合成立方金刚石过程中石墨和金刚石的价电子结构,获得了石墨和金刚石12组不同组合晶面间的价电子密度.结果表明,在超高压高温下其电子密度差均大于10;,说明石墨/金刚石晶面的价电子结构差异太大,不能诱发石墨向立方金刚石的直接转变.分析认为:超高压高温下,石墨先分解出一亚稳相后再转变成立方金刚石结构.     

硼酸钾锶晶体的高温溶液法生长研究

以摩尔比为3∶1的NaF和H3 BO3为复合助熔剂,采用高温溶液法生长出了尺寸达7×4 ×3 mm3的较透明的KSr4B3O9单晶,并探讨了生长KSr4B3O9晶体助熔剂体系的选择.该晶体属正交晶系,空间群为Ama2,晶胞参数为:a=109.87(2) nm,b =119.48(2) nm,c =68.865(2) nm.该晶体结构是由KO10基团,SrOx(x=8,9)基团和独立的BO3三角形相互连接构成的三维网络结构;UV-Vis-NIR漫反射光谱说明KSr4B3O9化合物在紫外区230 nm左右才表现为全吸收;粉末倍频测试结果表明该化合物总的倍频效应与KH2PO4 (KDP)相当.     

高温高压下Z轴水晶的电导率实验研究

电导率测量的过程历经了从直流一交流一阻抗谱的过程,已经为地球物理学家借助于高温高压手段研究固体深部物质电学性质所广泛认同的.本文首先介绍了阻抗谱法测定水晶电导率的实验原理,进而采用该方法在10-1～106Hz的频率范围以及1.0～4.0GPa和823～1073K条件下,借助于YJ-3000t紧装式六面顶高压设备对沿Z轴方向生长的水晶进行了的电导率实验就位测量.实验结果表明:在选择的频率范围,样品的复阻抗的模和相角都对频率具有很强的依赖性;随着温度的升高,电阻迅速降低,电阻率降低,电导率增大;在压力1.0～4.0GPa,其活化焓分别为:0.8548eV、0.8320eV、0.8172eV、0.7834eV,独立于温度的指前因子分别为:1.003S/m、1.778S/m、3.082S/m、6.987S/m,活化焓随着压力的升高而降低,指前因子随着压力的升高而增大.     

Marangoni Convective Effect during Crystal Growth in Space

GaSb:Te and GaInSb samples have been solidified under microgravity conditions during the D2 Spacelab mission. Experimental design and parameters are described. Analysis of the thermal data taken during the flight, associated to numerical simulations of heat transfer in the experiment, with the help of FIDAP, gave the experimental conditions (thermal gradients and growth rate). Quantitative chemical analyses of the samples show a chemical segregation characteristic of strong mixing in the melt during crystal growth. Silica crucibles with an internal screw thread groove on the inner wall were used in order to get dewetting of samples from the crucible. It was therefore supposed that Marangoni convection on the free surface associated to the groove might have been the source of convection. This hypothesis has been studied by numerical simulation using FIDAP and the velocity field obtained is in agreement with a strong perturbation of the solutal boundary layer ahead the solid-liquid interface. This can explain the observed chemical segregation.     

二苯甲酮晶体的生长习性预测和实验研究

从生长速度恒定的三维晶体几何学模型出发,计算出二苯甲酮晶体理想外形中各个晶面消失所需的最大临界生长速率,由此预测了各个晶面在晶习中消失的先后顺序.利用过冷熔体法在不同的过冷度条件下生长了二苯甲酮单晶,将单晶的实际生长习性进行比较,发现理论预测结果与实际生长习性变化比较吻合.     

高温体系合成六方片状氢氧化镁晶体生长机理的研究

采用不同镁盐溶液在120℃下,水热法一步合成六方片状氢氧化镁.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和激光粒度分布仪对产品进行表征.并采用Materials Studio软件对氢氧化镁晶胞结构进行了模拟,同时计算出晶体结构参数和各面族的表面能.根据负离子配位多面体理论解释了氢氧化镁晶体的形成机理,通过生长基元的形成和生长基元在各面族的叠合过程来解释了六方片形貌的形成过程.     

铌酸锂晶体高温拉曼光谱研究

采用高温拉曼光谱法,对铌酸锂晶体高温下的结构特征进行了研究.结果显示,室温下较强的拉曼振动模式主要是由[NbO6]八面体的振动所引起的;随着温度升高,频率减小,谱峰位置向低波数方向移动,可观测到的谱峰数目减少.这主要是由晶体内模所对应的Nb-O键合强度随着温度升高而减弱引起的.     

高温超导衬底材料SrLaAlO4晶体的生长及特性

用提拉法生长了不开裂的高温超导衬底材料SrLaAlO4晶体,晶体尺寸为(25～30)mm×(50～60)mm.该晶体具有K2NiF4型结构,晶格常数为a=0.375nm,c=1.263nm.生长的晶体颜色随着生长时炉膛内氧气氛的含量的增加而逐渐加深.测量了晶体的室温下的介电常数及介电损耗分别为20及8×10-4.     

高温垂直Bridgman法生长Zn1-xMgxTe晶体

采用高温垂直Bridgman法,以ZnTe(5N)、Mg(5N)和Te(7N)为初始原料,在高温下成功生长出了尺寸为φ15mm×50 mm的Zn1-xMgxTe晶体.分别采用X射线衍射、紫外可见分光光度计和红外光谱仪研究了晶体的结构及光学性质,通过PL谱和化学腐蚀的方法分析了晶体的结晶质量.结果表明:所生长的晶体具有立方相结构,晶格常数为0.61585 nm,略大于ZnTe晶格常数,晶锭中质量最好部分的晶片红外和紫外透过率接近60;,室温下其禁带宽度约为2.37 eV.77 K温度下,PL谱中存在A和B两个主要的发光带,位错腐蚀坑密度在105 cm-2数量级.     

大尺寸金红石(TiO2)单晶体生长条件的实验研究

采用高纯(99.995;)、超细的金红石(TiO2)粉末为起始原料,用燃熔法制备了尺寸为30mm×50mm的金红石(TiO2)单晶体.讨论了生长气氛、生长速度、温度梯度在晶体生长中的作用,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,并与商用晶体的透过率进行了比较.实验表明:生长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必要条件;在此条件下,能否生长为大尺寸晶体则取决于炉膛的轴向温度梯度;晶体在退火过程中可消除热应力,但退火更重要的作用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;所制备的晶体完整性较好,透过率与商用晶体基本一致.