中长波Cr^(2+)/Fe^(2+)∶CdSe激光晶体生长及元件制备

本文采用自主研发的双温区真空石墨加热单晶炉,通过钼坩埚密封布里奇曼法成功生长出了Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体,晶体尺寸达Φ51 mm×110 mm。Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体分别在1400~2400 nm和2500~5200 nm波段存在明显的吸收,同时,Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体在7~15μm波段透过率均接近CdSe晶体透过极限(~70%),换算吸收系数约为0.005 cm^(-1)。采用钼坩埚密封布里奇曼法制备的Cr^(2+)/Fe^(2+)∶CdSe晶体具有过渡金属离子掺杂浓度可控、掺杂均匀、晶体品质高等优点,可同时作为中波红外激光晶体和长波红外非线性光学晶体材料。

Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体生长及光谱性能

2.7-3.0μm波段激光在很多领域具有重要应用,为探索和发展该波段新型晶体材料,本文采用提拉法生长出Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体,通过共掺入Pr3+离子以达到衰减Ho^(3+):^(5)I_(7)能级寿命的目的.采用X射线衍射测试得到了晶体的粉末衍射数据,测量了拉曼光谱,并对晶体的拉曼振动峰进行指认,对Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体的透过光谱、发射光谱和荧光寿命进行表征.Yb^(3+)的最强吸收峰在966 nm,吸收峰半峰宽为90 nm;2.7-3.0μm波段最强发射峰在2850 nm,半峰宽为70 nm;Ho^(3+):^(5)I_(6)和^(5)I_(7)能级寿命分别为1094μs和56μs.与Yb,Ho:GdScO_(3)晶体相比,Yb^(3+)的吸收峰和2.7-3.0μm的发射峰半峰宽明显展宽,同时下能级寿命显著减小,计算表明Ho^(3+):^(5)I_(7)与Pr^(3+):^(3)F_(2)+^(3)H_(6)能级之间能实现高效的能量传递.以上结果表明Pr,Yb,Ho:GdScO_(3)晶体是性能更优异的2.7-3.0μm波段激光材料.

CsPbBr_(3)晶体生长及变温霍尔效应研究

以定向凝固法提纯的CsPbBr_(3)多晶为原料,采用垂直布里奇曼法生长出尺寸为∅30 mm×70 mm的CsPbBr_(3)单晶。采用ICP-OES对提纯后的多晶测试表明,提纯后的CsPbBr_(3)多晶中杂质含量减少了28.7%。经XRD和EDS对切割得到的晶片分析发现,晶片的晶面方向属{210}晶面族,晶体中Cs、Pb、Br_(3)种元素分布均匀,原子百分含量符合化学计量比。采用傅里叶红外光谱仪和紫外-可见分光光度计对晶体的透过率测试显示,生长晶体在500~4000 cm^(-1)波数范围内的红外透过率超过75%,紫外短波截止边为552 nm,拟合计算出对应的禁带宽度为2.246 eV。选取7个不同温度点对CsPbBr_(3)单晶进行变温霍尔效应测试发现,生长晶体为P型导电,在250~300 K和300~350 K之间晶体中主要的载流子散射机制分别为声学波散射和电离杂质散射,在150~250 K温度范围内,更符合多种散射机构共同作用的散射机制。进一步拟合载流子浓度p与1/T的关系,计算获得晶体中杂质电离能ΔE_(A)=0.3042 eV。

癸二酸溶解度、介稳区及晶体生长速率的测定

旨在促进癸二酸的连续化生产,采用动态法测定癸二酸在289.25~373.15 K范围的溶解度,采用聚焦光束反射测量技术测定了癸二酸在333.15~353.15 K的介稳区,研究了饱和温度和降温速率对介稳区的影响以及过饱和度与晶体生长速率的关系。结果表明:癸二酸的溶解度随着温度的升高而增大;癸二酸的介稳区随饱和温度的增大而变窄,随降温速率的增大而变宽;癸二酸在水溶液中的晶体生长速率与晶体粒度大小无关,与过饱和度呈线性增长关系,生长速率常数为3.611×10^(-6)g/(m^(2)·s),生长级数为1.498。

基于CGSim模拟的炉膛空气对流对碲锌镉晶体生长温场影响研究

碲锌镉晶体生长周期长、生长体系复杂,采用垂直布里奇曼法或者垂直温度梯度法生长碲锌镉(CdZnTe)晶体材料时,晶体的生长过程往往无法直观观察,晶体内部的温场也缺乏相应的手段检测,这对改进晶体生长工艺带来了诸多不便。利用计算机仿真能够将晶体生长的过程重构或再现。本文利用数值模拟软件,在晶体生长炉模型顶部塞子和底部塞子中心开孔,通过调节孔径大小(20~40 mm),对炉膛内气体的对流行为进行了规律性的调控。开孔前,炉膛内气体流速极低(只有10^(-5) m/s),形成流动缓慢、形状稳定的对流胞;开孔后,炉膛内气体流速明显增加(0.25~0.90 m/s),流动状态变为层流。通过控制模型的孔径大小,可以有效改变炉膛内气体层流的流速,相同温度设定下,流速从0.25 m/s增加到0.90 m/s时,温度梯度将从0.5 K/mm增加到1.1 K/mm。在实际空炉上进行开孔测温实验,验证了模拟结果中温度梯度变大的结论。通过监控炉膛内温度随时间的变化,发现层流模式下提高流速,有利于减小炉内温度随时间的波动,提高温场稳定性。温场温度梯度的增加和稳定性的提升,将有利于高质量碲锌镉晶体的制备。

碲锌镉晶体生长温度梯度与界面形状稳定性关系的研究

碲锌镉晶体被广泛用作红外探测器碲镉汞薄膜的外延衬底和制造室温核辐射探测器。在晶体生长过程中,界面形状与热量传输状态密切相关。本文结合数值模拟技术控制碲锌镉晶体生长过程中温度场分布,设计了垂直布里奇曼法和垂直温度梯度凝固法微凸固液界面的晶体生长程序,并根据实际晶体生长实验,分析了晶体生长方法差异与碲锌镉晶体单晶率之间的关系。通过光致发光谱进行成分测试获得了碲锌镉晶体等径段纵截面中Zn值分布谱图,以研究固液界面温度场分布与晶体Zn值宏观偏析之间的关系。结果表明,在晶体生长过程中固液界面两侧温场梯度分布对界面的形状选择和稳定性有重要影响,更大的固相侧温度梯度有助于实现稳定的凸界面晶体生长,从而提高晶体成晶率。

大尺寸CH_(3)NH_(3)PbBr_(3)晶体生长和光电性能表征

卤化物钙钛矿材料作为一种新型的半导体材料,具有材料廉价和光电转换性能优异的优点,基于该材料的各类光电器件已经开始逐步应用。虽然多晶薄膜仍然是主要的研究方向,但其具有形态无序、杂质较多的缺点,而单晶具有无晶界、低缺陷的特点,因此基于大尺寸单晶的研究开始被广泛关注。本文设计了一套内外反控温循环过滤生长装置,采用逆温结晶和籽晶相结合的方法制备了直径大于60 mm的CH_(3)NH_(3)PbBr_(3)单晶,对晶体样品进行了物相、微观形貌、光学和电学性能的研究。该晶体属于立方晶系,空间群为Pm3m;紫外-可见吸收光谱显示吸收截止边约为576 nm,荧光发射谱峰值552 nm;摇摆曲线显示晶体(100)晶面半峰全宽为91.42″。切割抛光后的晶片光响应灵敏,开关比为2.4×10^(3)。

基于模糊解耦的坩埚下降法晶体生长炉温度控制系统

针对坩埚下降法晶体生长炉温度控制系统存在的非线性、滞后性、多温区耦合性等问题。设计了模糊解耦控制器来对生长炉上、下两个温区的温度进行控制,该控制器能够根据上、下温区的实时温度误差以及温度误差变化率,调节两个温区加热棒的功率。与传统解耦和PID算法相比,该方法具有不依赖被控对象的精确数学模型,计算量小,算法设计简单等特点。通过仿真将该方法分别与传统PID算法和传统解耦PID算法进行比较,仿真结果表明,该方法具有很好的动态性能、解耦能力和鲁棒性,有利于提升晶体生长炉的控温精度和加热效率。

双添加剂协同调控钙钛矿晶体生长

通过同时添加氯化铷(RbCl)和亚甲二胺二盐酸盐(MDACl2)至PbI_(2)前驱体溶液,调控钙钛矿晶体生长,制备了甲脒(FA)甲胺(MA)基钙钛矿薄膜和钙钛矿太阳能电池(PSCs),探究两种添加剂之间的协同作用机理。研究发现RbCl能够与PbI_(2)反应生成惰性的(PbI_(2))2RbCl化合物,稳定了钙钛矿的晶相;MDACl2能够增强结晶取向,稳定钙钛矿的晶相。此外,这两种添加剂的协同调控作用增大了晶粒尺寸,减少晶界,降低薄膜缺陷密度,延长载流子寿命至7倍以上。优化后的电池最高效率达23.76%,迟滞因子低至0.6%,孔径面积为12.6cm^(2)的钙钛矿太阳能组件(PSMs)效率为21.47%。

统一动力学三维分区模型预测含能材料的晶体生长

为了研究黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)和六硝基茋(HNS)晶体的形貌特征,采用了统一动力学三维分区方法对这3种含能材料晶体的实时生长形貌进行了模拟,研究了结晶生长条件对晶体外形和晶面拓扑结构的影响。研究结果表明,RDX预测的晶形呈现类菱形,主要晶面包括(010)、(100)和(110)面;HMX晶体呈柱状,主要晶面包括(011)、(010)和(11−1)面;而HNS晶体呈薄片状,其中(100)面的显露面积最大,所预测的含能材料晶体外形与实验结果吻合。当RDX、HMX和HNS晶体呈现二维成核和外延生长模式时,较高的驱动力(Δμ=418.59 kJ·mol^(−1))导致晶体的分子层不断堆叠,呈现分层生长;而温度较低时,生长单元首先附着在晶面平台区域,逐渐形成“岛状”集聚,随后进行外延生长;当晶面足够大时,可能出现多个大小不同的“岛状”结构,并随时间增长逐渐合并。在较低驱动力下(Δμ=27.21 kJ·mol^(−1)),HNS晶体呈现螺旋位错生长,其中(100)晶面通过一个螺旋轴引发片层生长,形成“梯田”型晶面。通过附着能力分析发现,螺旋的扭结位和台阶面具有较强的吸附能力,而平台上的位点吸附能力较弱。

立方砷化硼晶体生长、性能及应用研究进展

立方砷化硼(c-BAs)是一种间接带隙、闪锌矿结构的新型Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。第一性原理计算预测c-BAs具有超高的热导率,从而激发了对其晶体合成和性能研究的热潮。尤其是近年来在晶体生长方面取得的突破性进展,通过化学气相传输(CVT)法制备了毫米尺寸的高质量c-BAs单晶,室温下其热导率高达1300 W·m^(-1)·K^(-1),吸引了人们极大的关注,也进一步鼓舞了人们对其理论和实验方面的研究。本综述将归纳总结近年来关于c-BAs理论计算、晶体生长、物理性能以及材料应用方面的研究进展,阐述了该晶体制备方面所面临的挑战,并对其发展前景进行展望。

我国1000 kg级超大蓝宝石晶体生长技术取得重要突破

作为大尺寸蓝宝石晶体的行业龙头企业,天通控股股份有限公司、天通银厦新材料有限公司近年来一直致力于突破大尺寸蓝宝石晶体生长和大尺寸蓝宝石衬底片的加工制备技术。2023年10月,公司采用自主研发的核心装备生长出超大尺寸蓝宝石晶体,晶体质量达1080 kg,高800 mm,直径750 mm(最大直径)。经5个多月的工艺优化稳定,目前已进入中试生产阶段。此项目先后成功突破具有自主知识产权的大型泡生法晶体生长炉制造、多温区热场设计制造、大尺寸晶体开裂控制工艺等多项技术壁垒,刷新了新的世界纪录,极大地推动了上、下游产业技术发展,提高了公司在蓝宝石材料相关产业的核心竞争力。

室温辐射探测器用CdTe基化合物半导体晶体生长研究进展

CdTe基化合物半导体材料由于具有较宽的带隙、良好的光电性质和电子传输性能,在室温辐射探测领域具有广阔的应用前景。其中CdTe、CdZnTe、CdMnTe和CdMgTe单晶具有优异的载流子传输特性被用作室温X射线和γ射线探测器。本文探讨了CdTe基晶体生长的离子性强,热导率差等难点。介绍了CdTe基晶体的生长方法,并综述了CdTe基晶体在室温辐射探测领域的研究进展。展望了CdTe基晶体的发展方向,为CdTe基化合物半导体晶体材料的应用提供了更丰富的想象空间。

晶体生长的热动力学分析——以碘化汞晶体为例

为研究热动力学因素对晶体形貌的影响,以碘化汞晶体为例,对晶体生长速率进行分析计算,得到台阶能、面溶解焓、体溶解焓、有效溶质的摩尔分数以及各晶面的生长速率,根据α-HgI_(2)晶体的各晶面的生长速率排序(001)<(110)<(101)<(102)<(103),确定(001)面应为α-HgI_(2)晶体的最大显露面,体现出了α-HgI_(2)晶体的最大形态学特征。

Yb,Ho∶GdScO_(3)晶体生长及光谱性能分析

采用提拉法生长出了尺寸为∅30 mm×50 mm的Yb,Ho∶GdScO_(3)晶体。通过X射线衍射得到了晶体的粉末衍射数据,使用GSAS软件进行了全谱拟合,得到了晶体的结构参数。测试了晶体的拉曼光谱,在100~700 cm^(-1)观察到18个拉曼振动峰。对Yb,Ho∶GdScO_(3)晶体的光谱特性进行了表征,并计算了Yb^(3+)的吸收截面,其在940、975 nm处的吸收截面分别为0.31×10^(-20)、0.42×10^(-20) cm^(2)。采用Judd-Ofelt理论计算了Ho^(3+)的跃迁强度参量Ω_(t),Ω_(4)/Ω_(6)值为2.04,并计算了辐射跃迁概率、能级寿命及荧光分支比等光谱参数。结果表明,Yb,Ho∶GdScO_(3)晶体的发光性能良好,是一种有前景的2~3μm激光晶体候选材料。

面向磁光应用的CeF_(3)晶体生长与性能表征

随着高功率激光和光通信技术的迅速发展,如何消除光学系统内部产生的反射噪声是一个至关重要的问题。磁光隔离器是依据法拉第效应设计而成的磁有源器件,能够有效隔离大部分反射光以保证光学系统稳定工作,而法拉第磁光材料作为磁光隔离器的核心部件,其研究和应用推动了磁光隔离器的更新与发展。CeF_(3)晶体具有高透过率、宽透过区间和高Verdet常数等优点,近年来获得了广泛关注,但是其传统生长方法存在成本高、周期长等缺点。本研究通过坩埚下降生长技术,优化温场结构和生长工艺,采用多孔坩埚成功获得多根CeF_(3)晶体。与商用TGG(Tb3Ga5O12)晶体相比,CeF_(3)晶体的透过率得到明显提高,最高达到92%,并且在近红外波段两者的Verdet常数相当。CeF_(3)晶体的比热较高,表明晶体拥有较强的抗热冲击能力和较高的抗激光损伤能力。本研究使用多孔坩埚技术生长CeF_(3)晶体,实现了规模化和低成本生产;生长的CeF_(3)晶体物理性能优良,具有应用于近红外波段磁光隔离器的巨大潜力。

超临界溶剂热合成纳米磷酸铁锂晶体生长机制探究

针对目前超临界溶剂热合成纳米磷酸铁锂(LiFePO_(4))的晶体生长机制及反应参数影响规律尚不明确的问题,采用超临界溶剂热合成方法在340~400℃反应温度下制备了平均粒径为68~85 nm的LiFePO_(4)粉体,表征并分析了产物的晶体结构及粒径等性能,评估了超临界乙醇中纳米LiFePO_(4)晶体生长过程表观活化能及生长机制,并建立了纳米LiFePO_(4)晶体生长动力学。结果表明,纳米LiFePO_(4)在超临界溶剂中的生长过程对其最终尺寸起主导作用,且生长过程受表面反应控制,符合多核控制的二阶生长动力学。纳米LiFePO_(4)产物的电化学性能测试表明,在400℃下获得的样品在0.1 C(C为电池充放电倍率)倍率下的初始放电比容量达到153.5 mA·h/g,放电倍率提高至5 C时容量保持率为68.3%。在340℃反应温度下:所得产物中的杂质(Li_(3)Fe_(2)(PO_(4))_(3)和Fe_(3)(PO_(4))_(2))导致电池出现了严重的极化效应;在高速充放电下,容量严重衰减,5 C倍率容量保持率仅为46.9%。本研究揭示了超临界溶剂热合成纳米LiFePO_(4)晶体的生长机制,可为后续工艺参数优化及工业化应用提供理论支撑。

多孔石墨对碳化硅晶体生长影响的数值模拟研究

SiC是新一代射频器件和功率器件的理想材料,电阻式物理气相传输法由于具有温度均匀性,成为生长大尺寸SiC单晶的有效方法。近年来,多孔石墨等的使用提高了SiC晶体的质量和产量,而关于其机理的研究却相对较少。本文使用数值模拟的方法系统研究了多孔石墨对SiC晶体生长的影响,并进行了晶体生长验证。模拟结果表明:多孔石墨的使用提高了原料区域的温度及温度均匀性,增大了坩埚内轴向温差,对减弱原料表层的重结晶也具有一定作用;在生长腔内,多孔石墨改善了物质流动在整个生长过程中的稳定性,提高了生长区域的C/Si比,有助于减小相变发生概率,同时多孔石墨对晶体界面也起到改善作用。晶体生长结果实际验证了多孔石墨在提高传质均匀性、降低相变发生率和改善晶体外形上的作用。本文结果对于理解多孔石墨的作用机理以及改善SiC晶体生长条件具有实际意义。

Dy^(3+)掺杂SrGdGa_(3)O_(7)晶体的晶体生长,结构、光学和可见光荧光特性

采用Chzochralski方法成功生长了Dy^(3+)掺杂的SrGdGa_(3)O_(7)晶体,并对其结构和光学特性进行了详细研究。基于XRD数据,采用Rietveld法优化了晶体的晶格参数。分析了Dy:SrGdGa_(3)O_(7)晶体的偏振吸收谱、偏振发射谱和荧光衰减曲线。在452 nm处,π偏振和σ偏振对应的吸收截面分别为0.594×10^(-21)和0.555×10^(-21)cm^(2)。计算得到的有效J-O强度参数Ω_(2)、Ω_(4)和Ω_(6)分别为5.495×10^(-20)、1.476×10^(-20)和1.110×10^(-20)cm^(2)。J-O理论分析和荧光光谱表明:在452 nm激发下,Dy:SrGdGa_(3)O_(7)晶体4F9/2→6H_(13/2)跃迁在可见光波段具有最高的荧光分支比和荧光强度,在574 nm处的π和σ偏振发射截面分别为1.84×10^(-21)和2.49×10^(-21)cm^(2)。Dy^(3+):4F9/2能级的辐射寿命和荧光寿命分别为0.768和0.531 ms,量子效率为69.1%。研究结果表明:Dy^(3+):SrGdGa_(3)O_(7)晶体是一种潜在的可用于蓝光LD泵浦实现黄激光的材料。

热处理温度对矾土基莫来石材料结构及晶体生长的影响

为了优化矾土基莫来石材料的性能,以Al_(2)O_(3)含量约为70%(w)的Ⅱ等高铝矾土为原料,采用湿法均化、高温热处理工艺制备矾土基莫来石试样,研究了热处理温度(空气气氛下分别在1350~1650℃保温4 h)对试样物相组成与显微结构的影响,并探讨了柱状莫来石晶体的生长机制。结果表明,莫来石符合固-液环境下生长发育的特征:1)1350~1500℃时,大量Al_(2)O_(3)溶解至SiO_(2)非晶质中加快了二次莫来石化反应进程,该阶段液相的过饱和度较高,莫来石晶粒伴随有台阶生长的特征;2)在重结晶烧结阶段(1500~1650℃),结晶相的增加消耗了液相中的Al_(2)O_(3),液相过饱和度降低,莫来石晶体表现出螺旋位错为主的生长特征;3)随热处理温度的升高(1350~1650℃),试样中的液相黏度降低,从而减少了晶体各向异性生长的阻力,使莫来石晶粒逐渐发育成长柱状并形成连续交叉的网络结构。