不同能量密度下脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒成核生长动力学研究

在室温、10 Pa氩气环境下,采用脉冲激光烧蚀(PLA)技术,通过改变激光能量密度,在烧蚀点正下方、与烧蚀羽辉轴线平行放置的衬底上沉积制备了一系列纳米Si晶薄膜.采用SEM、Raman散射谱和XRD对纳米Si晶薄膜进行了表征.结果表明:沉积在衬底上的纳米Si晶粒分布在距靶一定的范围内,晶粒尺寸随与靶面距离的增加先增大后减小;随着激光能量密度的增加,晶粒在衬底上的沉积范围双向展宽,但沉积所得最大晶粒尺寸基本保持不变,只是沉积位置随激光能量密度的增加相应后移.结合流体力学模型、成核分区模型和热动力学方程,通过模拟激光烧蚀靶材的动力学过程,对纳米Si晶粒的成核生长动力学过程进行了研究.     

外加氩气流下脉冲激光烧蚀制备纳米硅晶粒成核生长动力学研究

为研究纳米硅晶粒成核生长动力学过程,采用脉冲激光烧蚀(PLA)技术,在室温,50～200 Pa的氩气氛围中,通过引入垂直于烧蚀羽辉轴线的外加气流,在水平放置的衬底上沉积了一系列纳米Si晶薄膜.扫描电子显微镜( SEM)、拉曼(Raman)散射和X射线衍射(XRD)检测结果表明,未引入气流时,衬底上相同位置处晶粒尺寸随气体压强的增大逐渐减小;在距靶1 ～2cm范围内引入气流后,尺寸变化规律与未引入气流时相反.通过分析晶粒尺寸及其在衬底上的位置分布特点,结合流体力学模型和热动力学方程,分析得出在激光能量密度一定的条件下,环境气体压强、烧蚀粒子温度和密度共同影响着纳米晶粒的成核生长.     

脉冲时间间隔对激光烧蚀Si粒子密度分布的影响

采用Monte Carlo方法,对脉冲激光烧蚀所产生的烧蚀粒子在环境气体中的输运过程进行了数值模拟.研究了不同脉冲时间间隔与交叠区位置振荡幅度之间的关系,结果表明脉冲时间间隔影响了交叠区的振荡强弱,随着脉冲时间间隔的增加,交叠区的振荡幅度减小,脉冲时间间隔为10 μs时达到最小值,而后开始增大.所得结果为进一步研究烧蚀粒子在环境气体中的输运动力学过程提供了理论依据.     

Ge覆盖层诱导晶化多晶Si薄膜的晶化特性研究

采用电子束蒸发技术在衬底温度为180℃条件下生长具有Ge覆盖层的非晶Si薄膜,并于500℃、600℃、700℃真空退火5h.采用Raman散射、X射线衍射(XRD)、全自动数字式显微镜等对所制备薄膜的晶化特性进行研究.结果表明,Ge覆盖层具有诱导非晶Si薄膜晶化的作用,且随着退火温度的升高a-Si薄膜晶化越显著.具有Ge覆盖层非晶薄膜经500℃退火5h沿Si(400)方向开始晶化,对应晶粒尺寸约为4.9 nm.将退火温度升高到700℃时,非晶硅薄膜几乎全部晶化,晶化多晶Si薄膜在Si(400)方向表现出很强的择优取向特性,晶粒尺寸高达23.3μm.与相同条件下制备的无Ge覆盖层的非晶Si薄膜相比,晶化温度降低了300℃.     

种晶法控制金刚石成核的合成工艺研究

本文采用了半金刚石昌规则地排列放置在溶媒表面上的工艺方法进行了控制金刚石成核的合成实验。通过使用不同的种晶放置位置及种晶排列问题，研究了金刚石在种晶上的生长过程和影响合成结果的因素。     

激光烧蚀硅靶下荷电粒子和纳米晶粒的电流响应研究

采用波长为308 nm的XeCl脉冲准分子激光器,在5～50 Pa的Ar气压下烧蚀高阻抗单晶硅(Si)靶.在烧蚀点正前方、距靶1.5 cm处放置一个中心开孔直径为2 mm的挡板,挡板后面上下对称放置两个极板,然后串联一个标准电阻接地,电阻大小为10 Ω,利用高分辨数字存储示波器记录并测量回路中产生的瞬间电流来研究荷电粒子和纳米晶粒的电流响应.实验结果表明烧蚀产物中的正离子在气压为5 Pa时到达极板上数量最多.纳米Si晶粒带正电并且随着气压的增加纳米Si晶粒下落到极板的数量呈现先增大后减小趋势,在气压为8 Pa时达到最大值,这与扫描电子显微镜的测量结果基本一致.所得结果为进一步研究烧蚀粒子在环境气体中的输运动力学过程提供了依据.     

低压环境中外加氩气流对激光沉积纳米硅晶粒尺寸及分布的影响

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在烧蚀点正上方0.35 cm、距靶0.7 cm处引入Ar气流,保持环境气压0.3 Pa,烧蚀高阻抗单晶硅(Si)靶.在烧蚀点正下方0.35 cm,距靶0.5 cm、0.7 cm、1.4 cm、2.1 cm、2.8 cm、3.0 cm和3.5cm处水平放置衬底来收集纳米Si晶粒.利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、Raman散射对样品表面形貌和微观结构进行分析表征.结果表明:在引入气流前后,纳米Si晶粒的尺寸均随着与靶距离的增加而逐渐减小;在同一位置,引入气流比不引入气流晶粒尺寸小,面密度大;在3.0～3.5 cm处,不引入气流时的样品不再有纳米Si晶粒,而引入气流的还存在纳米Si晶粒.     

C60膜上金刚石的成核与生长形貌研究

本文研究了HFCVD系统中覆盖有C60膜的Si(100)衬底上金刚石的成核与形貌特征.结果表明,C60能大幅度提高金刚石成核密度;C60氢化预处理能大幅度促进金刚石成核,但要合理控制CH4的浓度和预处理时间;随衬底温度的升高,金刚石晶粒由球状变为菜花状聚晶.     

LICVD法纳米硅制备过程中的成核及生长

自行设计制备了激光诱导化学气相沉积法(LICVD)纳米制粉装置,利用该装置制备的纳米硅粉其粒度波动在30～60nm之间.通过对不同反应气体流量条件下的激光能量阈值研究表明,随反应气体流量的增加,所需激光能量阈值大致成线性增加.利用透射电镜和高分辨电镜对其形貌进行了表征,并对其成核与生长进行了分析,在成核长大初期,晶核周围的Si原子浓度较高,纳米硅晶应以层状长大方式为主.当纳米晶中有螺型位错等晶体缺陷形成时,会为Si原子的"落座"提供生长所需的台阶源,晶粒将以螺旋状生长方式长大.在长大过程中,纳米晶会发生跳跃式长大现象.以跳跃方式长大的晶粒通常在两晶粒的结合面处伴有晶体缺陷发生或亚晶界产生.较低的反应气体流速条件下,纳米硅的择优生长方向为<112>晶向;而在较高的反应气体流速条件下其择优生长方向变为<111>晶向.     

CVD法沉积金刚石薄膜中成核与生长的势垒研究

探明成核与生长的机理对于沉积高质量金刚石薄膜是十分重要的.本文采用PM3方法,计算了化学汽相沉积金刚石薄膜成核与生长阶段反应势垒.研究了对于不同反应气体(甲烷和乙炔)脱氢和增加沉积基团势垒的差异.结果说明,无论是成核阶段,还是生长阶段,脱氢势垒都小于加生长基团的势垒.然而,增加乙炔基的势垒大于增加甲基的势垒,这可能是因为乙炔分子必须打开C≡C键才能沉积到衬底表面.     

复合晶核剂对黄磷炉渣微晶玻璃析晶的影响

以黄磷炉渣为主要原料,通过添加不同种类的复合晶核剂,采用熔融法制备了黄磷炉渣微晶玻璃.借助化学热力学软件FactSage 6.4模拟计算晶相类型,借助Kissinger方程分析析晶能力,利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)进行验证.结果表明:相比添加单一晶核剂TiO2,复合晶核剂TiO2+CaF2或复合晶核剂TiO2+P2O5均能够降低黄磷炉渣基础玻璃的析晶活化能E,促进其析晶,复合晶核剂TiO2+Cr2O3能够提高黄磷炉渣基础玻璃的析晶活化能E,抑制其析晶;无论添加单一晶核剂TiO2,还是添加复合晶核剂TiO2+CaF2、复合晶核剂TiO2+P2O5或复合晶核剂TiO2+Cr2O3,黄磷炉渣微晶玻璃晶相类型相同,主晶相为硅灰石(CaSiO3),副晶相为铝透辉石(Ca(Mg,Al)(Si,Al)2O6)和氟磷灰石(Ca5(PO4)3F),这与化学热力学软件FactSage 6.4模拟计算结果基本一致.     

A Study of the Nucleation Kinetics,Linear Growth and the Overall Crystallization Kinetics of Meltspun Pd80Si20 Amorphous alloy

Nucleation kinetics, linear growth rate and overall isothermal crystallization kinetics of Pd Si amorphous alloy are studied by means of DSC and optical microscopy. It is found that both the histograms of the crystallite sizes and the DSC isotherms (resp. the time dependences of the degree of transformation α(t)) are best described by the model comprosing the simultaneous occurrence of two reactions of crystallization: heterogeneous as well as homogeneous non-stationary nucleation with subsequent three-dimensional growth in both cases. From the fit of the experimentally measured and the calculated according the model thus proposed distribution curves N_i(Φ) the stationary rates of heterogeneous and homogeneous nucleation, the number of quenched-in nucleation sites and the transient time lags of heterogeneous and homogeneous nucleation have been estimated. Using the values of these parameters kintic curves degree of transformation vs. time have been generated, which are closed to the exerimental x(t) curves obtained by means of DSC at isothermal conditions.     

脉冲激光沉积法在SiO2/Si衬底上生长c轴取向LiTaO3薄膜

本文利用脉冲激光沉积法,系统研究了衬底温度和氧压对硅基LiTaO3薄膜质量及c轴取向性的影响,结果表明衬底温度和氧压对LiTaO3薄膜的c轴取向性及结晶质量有很大的影响,在650℃、30Pa时可以生长出高c轴取向LiTaO3薄膜。采用扫描电镜和原子力显微镜对最佳条件下制得薄膜的表面形貌进行了分析,发现薄膜表面光滑,晶粒尺寸均匀致密,薄膜表面粗糙度约为3.6nm。     

晶核剂对锂锌硅系微晶玻璃析晶及显微结构的影响

采用差热分析方法研究了LZS系玻璃陶瓷的析晶动力学,讨论了晶核剂对微晶玻璃的晶相、显微结构及析晶动力学参数的影响.结果表明:与TiO2相比,P2O5能够更加有效地促进玻璃析晶,但两者效果相差不大.使用不同的晶核剂不会影响玻璃析出的晶相,但使用P2O5作为晶核剂能得到均匀细小的晶体.     

盐酸酸沉四钼酸铵结晶的成核研究

本文研究了用盐酸酸沉仲钼酸铵溶液制备四钼酸铵的成核过程,测量了以诱导期表示的成核速率,讨论了温度和过饱和比对成核速率的影响.结果表明,四钼酸铵过饱和溶液的成核速率随着温度的升高和过饱和比的增大而增大.确定了在实验的温度范围内均匀成核和非均匀成核之间的界限,并根据均匀成核理论计算了其成核特征参数.     

流动电位法对降温结晶过程的研究

对过饱和溶液在施加一定的流体压力差使之循环流动,实验结果测算草酸、草酸钠、硼酸和磷酸氢二钠等在不同温度下饱和溶液降温结晶时流动电位随时间的变化规律.实验结果表明流动电位大小与结晶物质的种类、温度和浓度有关,同时易受外界因素的干扰,实验数据的严格重现较难.但多次实验结果都显示:过饱和溶液在某一温度下形成晶核过程中其流动电位均发生显著变化;当饱和溶液起始结晶温度较高时,其流动电位突变点温度也更高.     

自发形核生长的AlN单晶湿法腐蚀研究

采用湿法腐蚀工艺,使用熔融态KOH和NaOH作为腐蚀剂,对一种物理气相传输(PVT)自发形核新工艺在2100~2250 ℃条件下生长的AlN单晶进行了腐蚀实验.通过实验及扫描电子显微镜(SEM)结果分析,得到了典型的AlN单晶c面、r系列面及m面最佳的腐蚀工艺参数及腐蚀形貌.另外,基于腐蚀形貌分析,发现了采用该自发形核新工艺生长的AlN晶体某些独特习性并计算出AlN单晶腐蚀坑密度(EPD).