介万奇 凝固理论与技术专家

您一直致力于凝固理论与技术方面的研究,并主持了多项国家计划、国家自然科学基金项目,请您谈谈您带领的团队在不断的探索和实践中所取得的成果以及目前研究项目的进展情况。

籽晶垂直布里奇曼法生长大尺寸CdZnTe单晶体

采用改进的垂直布里奇曼（MVB）法并引入籽晶生长技术，成功生长出直径60mm，单晶体积超过200cm^2的CdZeTe（CZT）晶锭。根据CZT晶片在近红外（NIR）波段的透过谱，由截止波长推算Zn组分在晶片中的平均含量，进一步的拟合得出晶体生长过程Zn沿晶锭轴向分凝因数约为1．30；分析了晶片在中红外波段内的红外透过率，发现波数在2000-4000cm^-1内透过率平直且较高，超过60％，而从2000cm^-1到500cm^-1随波数的减小透过率急速下降至零；由钝化后的Au／CZT晶片的I-V曲线，计算得到生长态C2T晶片的电阻率P达到1．8×10^9-2．6×10^10Ω·cm。

垂直布里奇曼法CdZnTe晶体生长过程的数值分析

模拟计算了半导体材料CdZnTe布里奇曼法单晶体生长过程,分析了熔体的过热温度、坩埚侧面强化换热以及坩埚加速旋转(ACRT)等因素对结晶界面的形态和晶体组分偏析的影响,结果表明:当熔体的过热温度减小时,熔体中自然对流的强度显著降低,固液界面的凹陷深度有所增加,晶体的轴向等浓度区显著加长,而晶体组分的径向偏析明显增大.坩埚的侧面强化换热增加了自然对流强度,也增大了固液界面的凹陷,但是对溶质成分的偏析影响较小.坩埚加速旋转引起的强迫对流强度远大于自然对流,显著增大了固液界面的凹陷,使熔体中的溶质分布成为均一的浓度场,显著减小了晶体组分的径向偏析,增加了晶体组分的轴向偏析.

Cd补偿垂直布里奇曼法生长Cd_(0.9)Zn_(0.1)Te晶体

采用传统垂直布里奇曼法和Cd补偿垂直布里奇曼法,分别生长出两根尺寸为φ30mm×130mm的Cd0.9Zn0.1Te晶锭。测试了晶体的结晶质量、成分分布、位错腐蚀坑密度(EPD)、红外透过率及电阻率。结果表明,Cd补偿垂直布里奇曼法生长的晶体结晶质量好、成分分布均匀、EPD低、红外透过性能好且电阻率高。这说明Cd补偿垂直布里奇曼法是一种生长高阻值CZT晶体的优良方法。

改进的垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体中的成分偏离现象

采用多种测试方法,对改进的垂直布里奇曼法生长Cd0.96Zn0.04Te晶体中的成分偏离标准化学计量比现象及其对晶体性能的影响进行了研究.X射线能谱成分测试表明,在晶锭的头部即初始结晶位置,(Cd+Zn)/Te比大于1;而在中部及末端,小于1.表明这种方法生长的CZT晶体仍然存在对标准化学计量比的偏离现象,开始结晶是在富Cd熔体中,生长至中后段则是在富Te条件下进行的.PL谱测试表明,富Cd的晶片内存在大量Te空位,严重富Te的晶片内Cd空位及其杂质复合体等引起的缺陷密度显著增加.晶体红外透过率测试结果表明,接近化学计量配比的CZT晶片具有高的红外透过率.

加压布里奇曼法生长大直径HgCdTe晶体

根据加压改进布里奇曼法 ,采用“二次配料”工艺成功地生长了直径 40 mm的大直径 Hg Cd Te (组分 x≈0 .2 0 )晶体 .采用加压技术 ,平衡部分石英安瓶内的高汞蒸汽压 ,有效地避免了石英安瓶的爆裂 ;采用“二次配料”工艺 ,大大降低了生长温度 ;合理选择温度梯度和生长速度 ,获得了有较好结晶性和组分均匀性的 Hg Cd Te晶体 .分析表明 :Hg Cd Te晶片的载流子浓度 n77≤ 4× 10 1 4 cm- 3 ,迁移率 μ77≥ 1× 10 5 cm2 /(V· s) ,少数载流子寿命值 τ≥ 2 .0 μs,80 K时简单的性能测试用光导探测器件的探测率 D*为 1.1× 10 1 0 cm· Hz1 /2 /W.

改进布里奇曼法生长HgCdTe晶体的生长速度对固液界面形态的影响

为选择合理的晶体生长速度 ,在用改进Bridgman法生长直径为19mm的HgCdTe(x =0 .2 1)晶体过程中 ,对正在生长的单晶体及熔体进行淬火 ,以观察其固液界面形态。初步的实验结果表明 :在 2mm/d及 9mm/d的两种生长速度条件下 ,石英安瓶中的固液界面形态均为凹形抛物面 ,但其凹陷深度分别为 10mm和 14mm。较低的晶体生长速度条件下 ,凹陷深度较小 ,固液界面形态较平。由实验和讨论得知 ,宜选择较低的晶体生长速度用改进Bridgman法生长HgCdTe晶体。

水热-烧结法制备Cr^(2+):ZnSe/ZnSe核壳结构纳米孪晶

Cr^(2+)掺杂ZnSe纳米晶是一种重要的中红外材料,核壳结构的ZnSe基半导体纳米晶表现出优异的光学、电学与催化性能。纳米晶的缺陷可以影响其性能,如具有孪晶结构的纳米晶拥有更高的强度和硬度。为了提高掺杂纳米晶的综合性能,本工作以可溶性Zn盐为Zn源,以新制NaHSe溶液为Se源,以Cr(AC)_(2)为掺杂源,通过两次水热过程制备了核壳结构Cr^(2+):ZnSe/ZnSe,在氩气保护或高真空下分别于400和800℃烧结获得了室温下化学性质稳定的纳米晶。结构和形貌表征结果显示,纳米晶尺寸主要集中在20~30 nm之间,壳体厚度约为2.6 nm,纳米晶具有层错缺陷,并由此发展成为孪晶。分析可知孪晶面为(111),相邻两晶面夹角为70.02°,误差在±0.5°以内。随着样品结晶度提高,孪晶密度增大,表明释放晶格畸变能为层错和孪晶的形成提供驱动力,孪晶的形核与长大符合位错诱导机制。XPS分析表明,Cr元素以+2价存在于纳米晶中;反射光谱测试结果分析发现,烧结的纳米晶在1775 nm附近存在吸收带,表明所制纳米孪晶具有潜在的中红外发光性能。

垂直布里奇曼法生长的Cd_(0.8)Mn_(0.2)Te单晶体中Te沉淀相分析

Cd1-xMnxTe(CdMnTe,CMT)是制备光学隔离器、太阳能电池、x射线和γ射线探测器的优选材料。本实验采用垂直布里奇曼(VB)法成功地生长出Cd0.8Mn0.2Te单晶体。用JEM-3010型高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了CMT晶体中的纳米级Te沉淀。选区电子衍射得到了Te沉淀与CMT基体两相的合成电子衍射图。计算出单斜Te沉淀的晶胞参数为:a=0.31nm,b=0.79nm,c=0.47nm,β=92.71°。确定了Te沉淀和CMT基体的取向关系为(0■1)Te//(■02)CMT,[100]Te//[111]CMT。最后,对Te沉淀(缺陷)的形成原因进行了分析。

热处理GaSb衬底对近距离升华法制备CdZnTe外延膜的影响

衬底的表面质量对生长膜层的质量有重要影响,衬底表面的粗糙度、均匀性、附着物残留及氧化层均是其表面质量的评价标准。本文报道了一种热处理方法,通过近距离升华设备原位去除GaSb(001)衬底上的氧化层后用于制备CdZnTe外延膜。通过控制热处理的温度和时间,获得洁净且平整的较优衬底状态。利用原子力显微镜和X射线光电子能谱表征了热处理对GaSb衬底形貌和成分的影响,采用双晶X射线摇摆曲线对经过热处理后的GaSb衬底上生长的CdZnTe外延膜的结晶质量进行了评价。为了深入研究这种异质界面附近微观缺陷的性质和外延形成机制,还对CdZnTe/GaSb截面进行了TEM分析研究。GaSb衬底在600℃经过180 s热处理后,可以去除衬底表面大部分氧化物且相对平整,提高了CdZnTe外延膜的结晶质量,在双晶X射线摇摆曲线中的半峰全宽为94″,接近已报道的块体CdZnTe晶体的结晶质量。

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(ϕ60 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。

SHS法制备Al_3Ti/Al复合材料的研究

介绍了高熔点化合物颗粒增强的铝基复合材料的一种先进制备方法 ,即自蔓延高温合成法 (SHS法 ) ,并以Al3Ti/ Al为例进行了实验研究。结果表明 ,将 Ti粉与 Al粉混合 ,在铝合金液中进行自蔓延高温合成 ,可有效地控制 Al3Ti的形态。其中 Al∶Ti比是控制 Al3Ti形态的关键参数。当 Al∶Ti比远小于理论化学计量比 3∶ 1时 ,获得针状 Al3Ti组织。而当该比值等于或大于 3∶ 1时则获得块状 Al3Ti组织 ,其分布也更均匀。但该比值太大 (大于约3.75∶ 1)时 ,则因 Al粉升温和熔化吸热 ,将使得自蔓延合成反应终止。

多元多相合金凝固理论模型的研究进展

工业合金多组元的特点使得多元合金的凝固成为凝固理论研究的重点。由于其复杂性,多元合金的凝固理论研究远远滞后于二元合金,仅在近年来取得一些进展。对这些研究进展进行了综述分析。首先从热力学分析入手,探讨了多元合金凝固过程的溶质再分配特性、凝固路径及相析出规律。进而分析了多组元合金初生单相凝固过程形态演变的理论研究方法和进展。最后简要讨论了多相凝固组织形态的形成原理。

Ⅱ-Ⅵ族多元化合物半导体晶体生长及器件研究进展

Ⅱ-Ⅵ族多元(三元及三元以上)化合物半导体晶体是一类非常重要的光电子材料,多为闪锌矿结构,具有直接跃迁型能带结构。可以通过掺入不同的杂质获得n型或者p型半导体晶体材料。这些晶体具有原子序数大、电阻率高、载流子迁移率寿命积大、光吸收系数好等特点,可用于室温辐射探测器、太阳能电池、法拉第磁性器件等领域。本文介绍了Ⅱ-Ⅵ族多元化合物半导体晶体的结构和物理性质,结合生长方法综述了晶体生长的研究进展,分析讨论了器件的主要应用,并展望了该类晶体材料未来的发展方向。

Pb_(2)P_(2)Se_(6)晶体的化学气相输运生长及光学性能

三元硫属化合物Pb_(2)P_(2)Se_(6)晶体因具有优异的光电性能,在光电领域受到广泛关注。然而,由于P元素易燃易爆等特点导致其难以合成。本文通过高温固相法合成了纯Pb_(2)P_(2)Se_(6)多晶,并基于多晶粉体以NH_(4)Cl为传输剂通过化学气相输运生长法成功生长出单晶。所得到的Pb2P2Se6晶体呈平行四面体,暴露的晶面为(011)面,晶面间夹角为62°和118°。X射线衍射分析证明其晶体结构为单斜晶系,空间群为P21/n(No.14),晶胞参数分别为a=6.897A,b=7.642A,c=9.696A,β=91.5°。此外,晶体的红外透射率在1 000~4 000 cm^(-1)范围内为50%,UV-Vis-IR透过谱拟合禁带宽度为1.89 eV。

A型偏析的NH_4Cl水溶液模拟研究与钢锭验证

利用 NH_4Cl 水溶液二维凝固的模拟铸锭,直接观察了 A 型偏析的形成和扩展过程,发现了 A 型偏析沟槽的两种扩展模型。在此基础上,通过向 NH_4Cl 水溶液中添加第三组元,研究了合金成分与 A 型偏析形成的关系;进一步分析了 A 型偏析的形成机理,提出了预测不同合金成分的铸锭中 A型偏析形成倾向的参数;设计了钢锭受控凝固实验并对理论分析进行了实验验证。

Bridgman法晶体生长技术的研究进展

本文首先分析了Bridgman法晶体生长的工作原理,以及生长速率和温度场控制方法。其次从单晶的获得,结晶界面的宏观形貌和微观形貌形成原理的角度讨论了Bridgman法晶体生长过程结晶组织控制的原理。进而分析了Bridgman法晶体生长过程中结晶界面上的溶质分凝及其再分配行为,由此获得了晶体中的成分偏析规律。最后,介绍了近年来Bridgman晶体生长过程控制技术的研究进展,包括强制对流控制技术,电磁控制技术,重力场控制技术及其高压Bridgman法等。

Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体中的晶体缺陷及其控制

围绕作者所在课题组近年来的研究工作,综述了Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体晶体生长过程中的各种结构缺陷及其形成机理.从晶体生长过程和后续的热处理过程两个方面指出了晶体缺陷的控制原理和方法.

凝固原理的前沿进展及其应用

凝固原理是揭示液固相变过程基本规律的学科领域。基于凝固原理的材料制备与成形加工技术即是凝固技术。凝固技术的应用包括铸件、铸锭的铸造,以及各种金属与非金属材料的熔体法晶体生长。在综合分析凝固技术应用背景的基础上,讨论了凝固原理和凝固技术的发展现状。归纳了不同材料加工技术所对应的凝固条件,指出不同加工工艺中凝固过程的差异仅在于对应的温度梯度和冷却速率的不同。进而从工程实践的角度分析了凝固技术研究的前沿方向,指出多组元合金凝固原理,近快速凝固原理与技术,以及多层次凝固分析及其跨尺度耦合是凝固原理与技术研究的发展前沿。最后,分别探讨了铸件、铸锭铸造以及熔体法晶体生长过程中的核心凝固问题与过程控制的原则。

Ⅱ－Ⅵ族化合物单晶生长过程中缺陷的形成与控制原理

根据晶体生长的基本原理，分析了二元及三元Ⅱ－Ⅵ族化合物在布里奇曼法单晶生长过程中，各种晶体缺陷的形成原因及其与晶体生长条件的关系。在此基础上指出了控制晶体缺陷的思路。