晶体生长与品质鉴定

本文列举了晶体生长中常见的不完整性,如开裂、包裹物、生长分层、色心、晶体整体上的不均匀性、组分过冷等。讨论了这些缺陷的起因和克服办法,以及生长与品质鉴定工作之间的关系,着重讨论了组分过冷现象的实例。强调指出,为克服这些缺陷,晶体生长与品质鉴定工作必须密切结合起来才能卓有成效。     

掺钕钨酸钇钠晶体的缺陷

掺钕钨酸钇钠晶体Nd:NaY(WO4)2是一种性能优良的激光晶体.对该晶体中的包裹物、生长台阶等缺陷进行了观察,并分析了缺陷产生的原因.在晶体的不同部位取样进行扫描电镜和能谱分析,发现随着晶体生长过程的进行,晶体中Nd3 的浓度逐渐增加.研究了晶体中位错蚀坑的分布特点,发现位错蚀坑的密度与晶体生长的不同部位、Nd3 的掺杂浓度等因素有关.     

Yb∶Ca_5(PO_4)_3F激光晶体的生长缺陷

采用提拉法生长了质量优异的Yb∶Ca5(PO4)3F(Yb∶FAP)晶体。运用化学腐蚀,光学显微镜、扫描电子显微镜以及能量散射光谱仪观察了该晶体中的生长条纹和包裹物等宏观缺陷,以及晶体的位错腐蚀形貌、位错密度及其分布情况,同时观察了晶体中亚晶界的形态。由晶体中位错的径向变化以及生长条纹可知:晶体在生长过程中为微凸界面生长。高温下CaF2的挥发造成了在晶体生长后期熔体中组分偏离化学计量比,出现组分过冷,形成包裹物,且位错密度显著增加。Yb∶FAP晶体的各向异性使得晶体在(10 10)面的位错蚀坑形状、大小以及深度不同,而(0001)面的位错蚀坑呈规则的六边形;这也是晶体中形成亚晶界结构的主要原因。讨论了减少晶体中缺陷的一些方法。     

铝酸钇晶体中的生长小面

采用提拉法生长了掺Ce、掺Yb和掺Mn的铝酸钇(YAIO3,YAP)晶体,晶体均完整透明,无肉眼可见的气泡、散射和包裹物等宏观缺陷.通过化学腐蚀和同步辐射白光形貌实验检测了YAP晶体中的生长小面缺陷.结果表明:晶体生长过程中,由于凸向熔体的固-液界面,造成了小面生长现象.沿[101]方向生长的YAP晶体中出现的小面为(102),(201),(121)和(121)奇异面.X射线摇摆曲线表征的结果表明:生长小面的存在严重破坏了晶体的微观结构完整性和均匀性,并导致了小角度晶界缺陷的产生.     

Yb:Ca5(PO4)3F激光晶体的生长缺陷

采用提拉法生长了质量优异的Yb：Ca5（PO4）2F（Yb：FAP）晶体。运用化学腐蚀,光学显微镜、扫描电子显微镜以及能量散射光谱仪观察了该晶体中的生长条纹和包裹物等宏观缺陷,以及晶体的位错腐蚀形貌、位错密度及其分布情况,同时观察了晶体中亚晶界的形态。由晶体中位错的径向变化以及生长条纹可知：晶体在生长过程中为微凸界面生长。高温下CaF2的挥发造成了在晶体生长后期熔体中组分偏离化学计量比,出现组分过冷,形成包裹物。且位错密度显著增加。Yb：FAP晶体的各向异性使得晶体在（10 10）面的位错蚀坑形状、大小以及深度不同,而（0001）面的位错蚀坑呈规则的六边形;这也是晶体中形成亚晶界结构的主要原因。讨论了减少晶体中缺陷的一些方法。     

Nd∶KGd(WO_4)_2激光晶体生长

以K2 W2 O7为助熔剂 ,采用熔盐顶部籽晶 (TSSG)法生长出尺寸为 2 3mm× 2 0mm× 19mm的Nd∶KGd(WO4) 2 激光晶体 .比较了K2 WO4和K2 W2 O7两种助熔剂的性能及对晶体生长的影响 ,认为K2 W2 O7熔点较低可以有效地降低晶体生长温度 ,有利于控制晶体生长和生长环境 .进行了KGd(WO4) 2 -KNd(WO4) 2 系统二元相图的研究 ,认为两者互溶性好 ,有利于晶体生长 ,并且Nd3+ 易于以化学剂量比取代Gd3+ .采用XRD、偏光显微镜及TG -DTA对晶体性能进行了研究 ,实验表明所生长的晶体为高温相的 β -Nd∶KGW .用光学显微镜对晶体表面裂纹、生长条纹、生长丘、生长台阶和包裹物等缺陷进行了观察 ,认为它们形成的原因是由于晶体生长工艺不稳定 ,温度梯度过大 ,拉速和降温速率过快     

Nd: KGd (WO4)2激光晶体生长

以K2W2O7为助熔剂,采用熔盐顶部籽晶(TSSG)法生长出尺寸为23mm×20mm×19mm的NdKGd(WO4)2激光晶体.比较了K2WO4和K2W2O7两种助熔剂的性能及对晶体生长的影响,认为K2W2O7熔点较低可以有效地降低晶体生长温度,有利于控制晶体生长和生长环境进行了KGd(WO4)2-KNd(WO4)2系统二元相图的研究,认为两者互溶性好,有利于晶体生长,并且Nd3+易于以化学剂量比取代Gd3+采用XRD、偏光显微镜及TG-DTA对晶体性能进行了研究,实验表明所生长的晶体为高温相的β-NdKGW.用光学显微镜对晶体表面裂纹、生长条纹、生长丘、生长台阶和包裹物等缺陷进行了观察,认为它们形成的原因是由于晶体生长工艺不稳定,温度梯度过大,拉速和降温速率过快.     

氟金云母晶体缺陷成因及缺陷与晶体性能的关系

本文从晶体生长的角度记述了用加晶种的坩埚下降法生长的氟金云母晶体缺陷的形貌和成因。使用了偏光显微镜、泰曼干涉仪和大面积Lang X射线形貌术方法进行实验观察。发现氟金云母晶体中有丝状空洞、六方空洞、杂质包裹物、生长条纹、孪晶界、晶体基面皱折等缺陷。这些缺陷主要是从晶种的原生缺陷延续和由温度场的变化及不良的工艺操作引起的增生。为了生长完整晶体,原生缺陷的延续能通过选择良好晶种来消除,改进温度场的稳定性和操作工艺能减少缺陷的增生。本文末尾,初步讨论了氟金云母晶体缺陷和晶体性能,如解理性、机械、电学和光学性能之间的关系。     

Nd:GGG晶体的体缺陷研究

本文从宏观和微观上研究了Nd:GGG晶体的体缺陷,发现Nd:GGG晶体的体缺陷主要包括开裂、沉积物、空洞和包裹物等.扫面电镜及能谱分析结果表明,空洞中的物质分别为[Gd(Nd)]4Ga2O9、[Gd(Nd)]3GaO6 和[Gd(Nd)]GaO3.包裹物的主要是组分是Ga2O3,是由于晶体生长过程中原料挥发通过固-液界面进入晶体而形成的.     

ScAlMgO4晶体的生长缺陷

采用提拉法生长出φ30 mm×55mm的ScAIMgO4晶体.在晶体生长过程中有轻微的挥发,粉末X射线衍射分析表明:挥发物质为MgO单相.运用扫描电镜、光学显微镜以及高分辨X射线衍射仪对晶体中的包裹物、开裂、生长条纹和小角晶界缺陷进行了研究.结果表明;温度梯度和热应力是形成晶体中缺陷的主要原因.通过合理设计温场,控制固-液界面的形状及冷却过程的降温速率,可以提高晶体的完整性.     

92%Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-8%PbTiO3晶体的生长缺陷和形貌

应用环境扫描电子显微术（ESEM）和同步辐射X射线白光形貌术研究了92％Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-8%PbTiO3晶体的表面形貌和缺陷，为生长高质量的该单晶材料提供重要的参考。从晶体自然显露面（111）面的ESEM缺陷形貌像中，观察并研究了诸如生长丘，位错蚀坑，小角晶界，包裹物，空洞或裂缝等生长缺陷，并分析了导致这些缺陷出现的原因是生长过程中的温度波动，过快的降温速度等因素。从该晶体的同步辐射X射线白光形貌像中也观察到了包裹物或空洞等缺陷。由该晶体表面出现的直形台阶，多层板块状台阶结构及其精细结构的ESEM形貌像可知，在PZN－8％PT晶体的高温溶液法生长中，起主导作用的生长机制为二维成核层状生长机制。     

金属铬对金刚石单晶生长习性影响研究

在高温高压条件下,以Co-Cr为触媒,使用温度梯度法作为金刚石生长驱动力,进行金刚石单晶生长的实验研究。实验室结果表明:随着触媒中金属铬添加量的增加,晶体生长速度明显变慢,当金属触媒中铬的添加量达到3wt.%的时候,生长的晶体内开始产生气泡和包裹物;当金属铬的掺杂量达到6.0wt.%的时候,能明显观察到晶体泛黄绿色;红外测试结果表明,晶体内部的氮浓度呈现出明显的增加趋势,最高浓度达483×10~(-6)。     

上称重自控径晶体生长直径突变的研究

使用上称重自动控径单晶炉生长Nd:YAG晶体时,按设计的参数自动控径生长出的晶体在等径下部2/3处发生直径突变,由此引发晶体下端内部出现裂纹、包裹物等严重缺陷,影响了晶体的可用性,降低了生产效率,增加了生产成本。通过采用适当的减小晶体生长直径,降低感应加热线圈和坩埚口的相对高度,连续变转速的方法,成功解决了晶体等径生长后期直径突变的问题,对自控径生长大直径晶体具有指导意义。     

Lu_2SiO_5∶Ce晶体生长中存在的主要问题

用提拉法生长了40mm×60mm的Lu2SiO5∶Ce(LSO∶Ce)晶体,讨论了晶体生长中存在的3个主要问题:(1)偏组分;(2)铱金坩埚的被熔蚀和挥发;(3)LSO晶体中的包裹体。生长LSO晶体过程中SiO2容易挥发,在籽晶夹和炉膛内结晶成方石英相,造成组分偏析;在高温下铱金坩埚会被熔蚀,铱则会直接挥发,熔体中出现铱金碎片,严重影响接种、缩颈工艺等,所生长晶体表面也会粘附很多铱金颗粒,采用双抽双充气的办法减弱了铱金的挥发,基本上克服了铱金的干扰;LSO晶体中出现的包裹物主要是Lu2O3,也有极少量的气孔,Lu2O3主要是由于固相反应不彻底和SiO2挥发引起的。     

Lu2SiO5:Ce晶体生长中存在的主要问题

用提拉法生长了φ40 mm×60 mm的Lu2SiO5Ce(LSOCe)晶体,讨论了晶体生长中存在的3个主要问题(1)偏组分;(2)铱金坩埚的被熔蚀和挥发;(3)LSO晶体中的包裹体.生长LSO晶体过程中SiO2容易挥发,在籽晶夹和炉膛内结晶成方石英相,造成组分偏析;在高温下铱金坩埚会被熔蚀,铱则会直接挥发,熔体中出现铱金碎片,严重影响接种、缩颈工艺等,所生长晶体表面也会粘附很多铱金颗粒,采用双抽双充气的办法减弱了铱金的挥发,基本上克服了铱金的干扰;LSO晶体中出现的包裹物主要是Lu2O3,也有极少量的气孔,Lu2O3主要是由于固相反应不彻底和SiO2挥发引起的.     

低温相偏硼酸钡单晶的不完整性

对熔剂法生长的低温相偏硼酸钡(BBO)单晶的不完整性进行了X射线衍射形貌术观测和研究。主要的结构缺陷有钉扎较严重的位错、位错环、包裹物、丝状物、电峙和晶界等,并且简单地讨论了它们的可能成因。     

Y(Eu)-Ba-Cu-O体系超导体缺陷的电镜观察

采用JEM-200CX高分辨电镜观察Y(Eu)-Ba-Cu-O体系超导体的缺陷。Y_1Ba_2Cu_2O_(7-(?))正交结构中O_1-Cu_1-O_1铜氧面对超导导电通路起重要作用。我们的研究表明:任何孪晶界可使铜氧面保持连续,而杂质相、包裹物以及裂纹等均使钢氧面中断不利于超导通路。在观察中我们发现:一些小角晶和一种弯曲晶界,并从铜氧面在晶界处是否保持连续的角度来估计对超导体J_c的影响;正交超导相易在(001)晶面产生裂纹;有Ag_2O的小颗粒作为第2相粒子存在于超导相晶粒中;同时还观察到一些杂质相和包裹物,这些都是不利于超导通路的。     

LBO晶体的生长缺陷研究

采用化学腐蚀光学显微法和同步辐射截面形貌术研究了三硼酸锂（ＬＢＯ）晶体的生长缺陷,实验结果表明,ＬＢＯ晶体中的主要缺陷是位错、包裹物和形界,讨论辽些缺陷形成的原因和降低缺陷的措施。     

Cr~(3+):BeAl_2O_4晶体中包裹物的电子显微分析

观察了Cr~(3+):BeAl_2O_4晶体中包裹物的形貌,用电子探针测定了包裹物的成分,认为包裹物是由于BeO原料中的杂质所引起的。     

SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石晶体的碎裂分析

在SAPMAC法晶体生长过程中常常出现晶体开裂现象,导致试验失败;根据裂纹萌生的位置、扩展程度可将其概括为全开裂(粉碎性开裂)和体内开裂(节理面开裂)两种开裂形态.研究结果表明:引起晶体开裂的主要原因是晶体内部由温度分布不均匀所引起的热应力,晶体内热应力与系统温度梯度、晶体热膨胀系数及晶体直径成正比;过快的晶体生长速率和过快的冷却速率,将会引起晶体内部整体热应力过大,造成晶体整体碎裂;在晶体直径突变及包裹物边缘位置易产生应力集中,微裂纹在应力集中位置萌生,并沿薄弱的(11-20)或(01-12)面扩展,造成晶体局部开裂.本实验室通过设计合理而稳定的温场、优化晶体生长工艺及退火处理等方法,较好地解决了蓝宝石晶体的开裂问题,生长了直径达240 mm的大尺寸蓝宝石晶体.