温度梯度溶液法生长的Cr掺杂的ZnTe晶体的表征

以CrTe作为掺杂源、以Te作为溶剂, 用温度梯度溶液法生长了Cr掺杂的ZnTe晶锭。晶锭头部的晶粒尺寸较大(>10 mm×10 mm), 且Te夹杂相较少。Te夹杂相的大小、形状和分布可以反映晶锭中的温场分布。晶锭的径向非对称温场导致富Te相沿径向非对称分布。Te夹杂相在温度梯度作用下的热迁移会导致其相互融合长大、变长。Te夹杂相也会在晶体中引入裂纹和空洞等缺陷。部分未被掺入ZnTe中的CrTe富集于固液界面处, 表明温度梯度溶液法生长晶体时具有一定的排杂作用。Cr掺杂的ZnTe晶体的电阻率(约1000 Ω·cm)高于未掺杂的ZnTe(约300 Ω·cm)。Cr掺杂晶体在约1750 nm处的吸收峰表明Cr²⁺离子被成功地掺入了ZnTe中。但是Cr掺杂后晶体的红外透过率降低, 表明Cr掺杂引入了较多的缺陷。     

ACRT技术对大尺寸ZnTe晶体溶液法制备及其性能影响

太赫兹(Terahertz,THz)技术在工业无损检测、科学研究和军事领域发挥着越来越重要的作用。作为太赫兹产生和探测最常用的电光晶体材料,ZnTe晶体在生长中依然面临众多挑战。为了制备大尺寸、均匀性好、高性能的ZnTe单晶,本研究在温度梯度溶液法生长ZnTe晶体过程中引入坩埚旋转加速技术,制备具有高结晶质量的ZnTe晶体。模拟计算得到不同坩埚旋转速度下生长界面处对流场和溶质分布,研究了坩埚旋转对晶体生长过程中的固液界面稳定性和晶体内Te夹杂分布的影响规律,证明坩埚旋转加速技术可以有效地促进熔体流动,改善溶质传质能力,稳定溶液法晶体生长的固液界面,不仅避免出现尾部混合相区,也减少了ZnTe晶体内Te夹杂相的数量并减小其尺寸。通过进一步优化坩埚旋转参数,制备出具有较高结晶质量的大尺寸ZnTe晶体(?60 mm)。同时,得益于晶体良好的均匀性,晶体对太赫兹的高响应区域超过90%,边缘效应小,满足太赫兹成像要求。研究表明,引入坩埚旋转加速技术为制备大尺寸ZnTe基电光晶体提供了新的思路。     

转速对快速法生长KDP晶体影响的实验与数值模拟研究

采用快速生长法在不同转速下生长了KDP晶体,对晶体生长过程中的现象进行了研究;运用fluent软件,采用多重参考模型和标准k-ε湍流模型对籽晶架和晶体在溶液中旋转产生的速度场进行了数值模拟,分析了不同转速对速度场和晶体长大对溶液稳定性的影响;结合实验现象与模拟结果分析可知,初始阶段适于KDP晶体快速生长的最优转速是100 r/min,随着晶体的长大,转速应适当降低。     

薄膜生长基底对FeS2晶体取向的影响

用Fe膜硫化法制备了FeS2薄膜,分析了基底对FeS2薄膜晶体结构和位向分布的影响.结果表明,改变基底晶体的类型能够在一定程度上控制FeS2薄膜的晶体位向分布.FeS2薄膜在Si(100)、Si(111)和Al基底上可获得(200)方向的择优取向,在TiO2基底上可同时获得(200)及(220)择优取向,非晶玻璃基底对位向分布影响不明显.不同的基底与Fe薄膜的界面错配度不同,可改变薄膜晶体位向的分布,导致晶格畸变程度和晶粒尺寸的变化.当基底为非晶结构或界面的错配度较大时,FeS2晶体的取向分布主要受表面能和晶粒优先生长方向的控制,薄膜具有较小的晶格畸变和较细的晶粒;当基底为晶态并且界面错配度较小时,FeS2晶体取向的分布除受表面能及晶粒优先生长方向控制外,还受界面应变能的控制,此时薄膜易形成较大的晶格畸变和粗晶粒.     

硅单晶Czochralski法生长全局数值模拟Ⅱ.质量传递特性

使用有限元方法对炉内的质量传递过程进行了全局数值模拟,研究了硅单晶Czochralski(Cz)法生长时氧传输的基本特性.结果表明:在小型硅Cz炉中,晶体中的氧浓度主要取决于熔体的流型和气相传质速率;安装在热区的气体导板可有效强化气相传质系数并改变熔体的流型,Marangoni效应可将自由界面处低氧浓度的熔体带至结晶界面,使晶体中氧浓度降低.     

硅单晶Czochralski法生长全局数值模拟II．质量传递特性

使用有限元方法对炉内的质量传递过程进行了全局数值模拟，研究了硅单晶Czochralski(Cz)法生长时氧传输的基本特性．结果表明：在小型硅Cz炉中，晶体中的氧浓度主要取决于熔体的流型和气相传质速率；安装在热区的气体导板可有效强化气相传质系数并改变熔体的流型，Marangoni效应可将自由界面处低氧浓度的熔体带至结晶界面，使晶体中氧浓度降低．     

表面张力温度系数对硅单晶生长的影响

利用有限元方法对硅单晶Czochralski(Cz)法生长炉内的流动和传输过程进行了全局数值模拟,研究了表面张力温度系数对硅单晶生长过程的影响,模拟的表面张力温度系数范围是(0～0.35)×10-3N/m·K.结果表明:随着表面张力温度系数的增加,由Marangoni效应驱动的熔体表面流动能强化熔体的自然对流,从而减小了通过熔体自由界面的温差,降低了加热器的功率.但是,结晶界面更凸向熔体,在结晶界面处晶体内的轴向温度梯度减小;对常规Cz炉,结晶界面处的平均氧浓度先减小然后增大,而对于具有气体导板的Cz炉,Marangoni效应总是使结晶界面处的平均氧浓度减小.     

掺杂甲紫对KDP晶体溶液稳定性及生长速度影响的研究

首先测定了掺杂不同浓度甲紫条件下KDP晶体的溶解度曲线,发现随着掺杂浓度的增大,KDP晶体的溶解度逐渐减小;进而通过测定不同掺杂条件下KDP溶液的成核诱导期,发现随着甲紫掺杂浓度的增大,溶液的诱导期先增大后减小,说明适量浓度的甲紫掺杂能够增加溶液的稳定性。最后进行了掺杂不同浓度甲紫条件下KDP晶体的生长实验,测量了晶体各向的生长速度,发现晶体各向生长速度均随着掺杂浓度的增大先减小后增大,最终减小,当甲紫掺杂浓度为0.1%mol/L时,KDP晶体各向生长速度最快。     

有机非线性光学材料NPAN晶体的生长

测定了N-(4-硝基苯)-N-甲基-2-氨基乙腈(简 称NPAN)晶体在某些有机溶剂中的溶解度,研究了 NPAN在这几种有机溶剂中溶液的热力学性质及溶质 与溶剂的相互作用,根据界面熵因子α值,讨论了在不同溶剂中不同晶面的晶体生长机制.选择丁酮为生长溶剂,进行单晶生长实验,在35～25℃温度区间内,用溶液降温法成功地培养出尺寸为40mm×7.0mm×7.0 mm、柱状透明的单晶,并讨论了NPAN晶体的生长条件.     

石墨垫板刻槽对生长大晶粒多晶硅杂质传输的影响

铸锭中过高的杂质浓度是影响铸造多晶硅太阳电池效率的主要因素之一。铸锭生长过程中的杂质主要有C、N、O、金属离子及固体颗粒SiC和Si3N4。这些杂质能够降低晶片中少数载流子的寿命及太阳电池的填充因子;同时固体颗粒会造成切片过程的断线和晶片表面产生划痕。设计了一种新的方法生长大晶粒多晶硅,对石墨垫板进行刻槽处理,并采用数值模拟的方法模拟了该生长过程杂质的传输。模拟结果表明,刻槽的深度明显影响着初始生长时结晶界面上O、C和N的分布;同时刻槽深度越大,生长速率越快,越能够抑制晶体中SiC和Si3N4的形成。     

轴向磁场对硅单晶Czochralski生长过程的影响

利用有限元方法对炉内的传递过程进行了全局数值模拟,假定熔体和气相中的流动都为准稳态轴对称层流,熔体为不可压缩流体,Cz炉外壁温度维持恒定,模拟磁场强度范围为(0～0.3)T,研究了用Czochralski(Cz)法生长单晶硅轴向磁场对熔体流动和氧传输过程的影响.结果表明:轴向磁场可有效地抑制熔体内的流动,但增大加热器功率和结晶界面处晶体内的轴向温度梯度;对于常规Cz炉,轴向磁场可增大结晶界面平均氧浓度,而对于具有气体导板的Cz炉,则会减小结晶界面平均氧浓度.     

利用焓-多孔介质法对垂直Bridgman生长CdTe的数值模拟

利用数值模拟研究了碲化镉在垂直Bridgman炉中生长时的固-液界面的形状．采用焓-多孔介质法,在固定网格上对碲化镉的固液两相用统一的控制方程进行了整场求解,用一特征参数确定界面的位置和形状．结果表明,当晶体的生长速率较低时,界面的形状与物质在固态和液态两相下的热扩散率有关．如果两种热扩散率的数值相近,界面的形状是平坦的．液态区自然对流是界面形状的影响因素之一,而积聚在固态区的结晶潜热是形成弯曲固-液界面的主要原因．     

气相生长硒化镉单晶体的生长速度研究

以晶体生长理论为基础，计算了气相提拉生长CdSe晶体时的生长速率。结果表明用提拉法气相生长CdSe晶体时，晶体的气相生长速率将会随着时间的延长以指数关系快速的趋近于提拉速度，以后不再变化。由此，在选定温场的前提下，对CdSe单晶体的气相生长速度进行了优化，确定了3mm／d的生长速度，得到了平界面生长的尺寸为Ф20mm×30mm，电阻率高达10^9Ω·cm，且未观察到深能级陷阱的优质CdSe大单晶体.     

具有复合背接触层的 CdTe多晶薄膜太阳电池

为了提高CdTe太阳电池的背接触性能,用共蒸发法制备了ZnTe：Cu和Cd1-xZnxTe多晶薄膜。研究结果表明：Cd1-xZnxTe多晶薄膜的能隙与锌含量呈二次方关系,ZnTe：Cu多晶薄膜能隙随着掺Cu浓度的增加而减小。分别用ZnTe／ZnTe：Cu和Cd1-xZnxTe／ZnTe:Cu复合膜作为背接触层,既能修饰异质结界面,改善电池的能带结构,又能防止Cu原子向电池内部扩散。因此获得了面积0．502cm^2,转换效率为13．38％的CdTe多晶薄膜太阳电池。     

碘化汞(α-HgI_2)晶体气相生长中的形貌转变研究

采用高纯HgI_2多晶原料,利用改进的静态升华法生长了α-HgI_2晶体.生长15天的晶体生长界面呈小平面,而生长29天的晶体生长界面呈椭圆形,表明α-HgI_2晶体气相生长中存在生长形貌转变的现象.形貌转变的原因可能是自由碘在生长界面富集和不同晶面生长速率差异所致.生长29天的晶体体积约为1.3cm~3,可能达到了该条件下的最大体积.     

泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究

利用计算机模拟对泡生法蓝宝石单晶各生长阶段的热应力进行了分析,发现晶体中最大热应力位于籽晶与新生晶体交界处或靠近固液界面的晶体边缘,其次位于晶体肩部。在此基础上,针对某一生长阶段讨论了加热器位置和坩埚形状对晶体中热应力分布的影响。结果表明:固液界面处的热应力随着加热器轴向中点与熔体轴向中点的距离L的增加先减后增,当L为190mm时,晶体中热应力最小;随着坩埚底部倒角半径的增加,固液界面处热应力呈上升的趋势。     

液-液界面生长法制备C_(60)晶体

常温常压下利用液-液界面生长法制备了不同形貌的C60晶体,并对其生长机理进行了初步探讨。采用扫描电镜和X射线衍射分别对晶体形貌和结构进行了表征,结果表明,在CS2-异丙醇两相界面上可以生长形貌均匀的棒状晶体,且获得的晶体结构为简单六方。     

对流作用下胞晶侧向生长实时观察

对透明模型合金的晶体生长过程进行实时观测, 是研究晶体凝固过程的有效手段, 对认识晶体组成结构形成机理及控制金属组织结构具有重要的意义. 采用自行设计的定向晶体生长室和观察测量装置, 在不同的晶体生长速度下, 对丁二腈-5wt%乙醇透明模型合金定向凝固的界面生长形态进行了实时观测研究. 实验发现, 由于重力对流和微对流机制对晶体生长过程的影响, 使得胞晶在生长过程中有明显顺流偏转现象.     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体时坩埚下降速度的优化研究

在垂直布里奇曼法(VBM)晶体生长的过程中,坩埚下降速度和晶体生长速度之间的关系对生长出来的晶体质量有很大的影响。本文采用有限元法对探测器材料CdZnTe的晶体生长过程进行了热分析,主要研究了不同的坩埚下降速度对生长过程中晶体生长速度及固液界面形状的影响,发现材料的热导率和相变潜热的比值是影响固液界面形状的主要内因。模拟结果表明,当坩埚下降速度Vp≈1mm/h时,其数值与晶体生长速度接近相等,可获得接近水平的固-液界面。实际的晶体生长实验结果与计算机模拟的结论基本一致。因此,通过适当的选择和调节坩埚下降速度是获得高质量晶体的可行技术方案。     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体的径向溶质偏析之有限元分析法模拟

运用有限元分析软件Comsol Multiphys-ics,结合晶体生长固液界面曲率分析法,模拟了垂直布里奇曼法生长Cd0.9Zn0.1Te（CZT）晶体。研究了固液界面处曲率变化对于溶质径向偏析的影响,揭示了界面曲率与溶质偏析的内在关联性,并计算了数值。分析了3种晶体生长方式：（1）坩埚匀速生长;（2）两阶段坩埚变速生长;（3）坩埚回熔生长分别对于溶质偏析的影响。采用扫描电子显微镜SEM中的能谱仪EDX测量3种工艺的Zn组分分布：（1）模拟值比对实验结果发现可以运用固液界面的曲率平均值来推算溶质径向组分偏差的大小;（2）模拟推算的溶质径向偏差值更加接近于实验所得的溶质组分偏差最大值;（3）坩埚回熔生长法生长晶体的固液界面的波动性小,界面稳定性最好,溶质径向组分偏差也最小。