材料多尺度结晶研究进展
发布时间：2021-06-15 12:16
材料是物理性能的产生及能量相互转换的重要载体,材料结晶是新材料创制的核心和探索的前沿方向.多尺度材料结晶是相关领域研究人员共同面临的科学问题.材料结晶模型是以相图为基础,确定材料的组成与相关物理化学参数,结合材料结晶理论和生长方法共同构建材料结晶.本文综述了从成核到生长的主要理论与部分材料结晶生长方法,指出材料结晶研究向着多尺度、多因素、定量化的方向发展.材料结晶设备向着自动化、数字化、智能化方向发展.材料结晶研究了多尺度的相演变过程,包含从成核到生长的质量与能量传递过程,需要多学科交叉领域的协同发展.
【文章来源】：中国科学:技术科学. 2020,50(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
材料结晶生长方法.归纳了材料结晶典型的生长方法及其方法的改进
1961年,我国研制出了第一台提拉法材料结晶设备,并成功生长无位错硅单晶[111].该设备投料量只有1 kg,拉制单晶直径为35 mm.直到1988年,投料量增至30 kg,采用IRCON光学高温计和计算机对直径信号进行等径控制,实现单晶直径125 mm,并采用软轴提拉装置,大大降低设备高度.1996年,投料量达到60 kg,拉制单晶直径为200 mm.该设备上下轴的密封采用流体密封,密封效果好,旋转扭矩小,提高了整机运行的可靠性,籽晶提升采用了稳定可靠、性能优异的卷扬提升装置.1989年,75～100 mm区熔硅单晶的需求量不断上升,为此,我国研制出区熔法结晶设备.该设备设置具有晶体夹持装置、大直径焊接波纹管副室结构,传动部件采用精密滚动丝杠、直线运动导轨、直流力矩机等精密传动装置,提高了整机的运动稳定性.2009年,研究人员优化设计热区、生长条件、掺杂浓度,实现高生产率和生长速率控制,并在此条件下成功地生长出360 kg,直径450 mm硅单晶[112].V族元素半导体的熔点附近具有较高的蒸汽压,因而III-V族化合物通常需要在高压下进行生长,压力控制成为晶体生长最重要的控制参数.1975年,我国通过设计热场和合成系统,成功设计首台高压单晶炉并生长了InP半导体单晶.1980年,在第一代单晶炉的基础上设计第二代单晶炉,该炉体内安装了两只机械手用于安装磷注入系统,在注入原料合成后,可以在熔体上方移开磷注入系统实现连续晶体生长,因此可以生长直径142 mm的InP单晶,1995年,设计制造了第三代高压单晶炉,配备了具有稳定熔体作用的超导磁场,实现大尺寸单晶制备[113].在高压容器中配备了高温装备,组成高压高温设备用于生长金刚石等超硬材料,其中按容器结构的特点,大致可分为活塞-圆筒式、对顶压砧-压缸式、多压砧式(四面体、六面体等)和滑块多压砧式[114,115].
材料结晶设备的设计与发展需要根据材料结晶理论并考虑生长方法的工艺技术要求,包括改进生长室、温度、运动、压力控制等系统,开发了不同类别的设备.例如,全液封直拉(full encapsulated Czochralski)单晶炉[18]、气压控制直拉(vapor pressure controlled Czochralski)单晶炉[19]、加速坩埚旋转(ACRT-Bridgman)单晶炉[20]等.热场模拟技术的实现及发展,为开发新型设备提供了低成本的开发环境[21].随着设备制造技术和计算机自动控制技术的发展、对材料性能研究的深入以及产品器件对材料性能要求的进一步提高,现代结晶设备进入成熟期.因此,材料结晶设备向数字化、智能化、自动化发展.2 材料结晶的理论进展
【参考文献】：
期刊论文
[1]导模法生长微孔蓝宝石晶体工艺及性能研究[J]. 王东海,薛艳艳,李纳,周仕明,徐晓东,李东振,徐军,王庆国. 无机材料学报. 2019(12)
[2]坩埚下降法在新材料探索及晶体生长中的应用[J]. 徐家跃,申慧,金敏,张彦,田甜,陈媛芝,周鼎,储耀卿. 人工晶体学报. 2019(06)
[3]稀土晶体材料与应用[J]. 王燕,孙丛婷,张伟,涂朝阳,薛冬峰. 应用技术学报. 2019(01)
[4]Crystalline boron nitride nanosheets by sonication-assisted hydrothermal exfoliation[J]. Zhaobo TIAN,Kexin CHEN,Siyuan SUN,Jie ZHANG,Wei CUI,Zhipeng XIE,Guanghua LIU. Journal of Advanced Ceramics. 2019(01)
[5]Chemical bonding in micro-pulling down process: High throughput single crystal growth[J]. SUN CongTing,XUE DongFeng. Science China（Technological Sciences）. 2018(11)
[6]结晶生长的化学键合理论及其在稀土晶体快速生长中的应用[J]. 孙丛婷,薛冬峰. 中国科学:化学. 2018(08)
[7]物理气相传输法生长碳化硅单晶原生表面形貌研究[J]. 崔潆心,胡小波,徐现刚. 无机材料学报. 2018(08)
[8]增强可见光吸收和电荷分离的碳量子点/BiPO4纳米复合材料（英文）[J]. 张志洁,徐家跃,曾海波,张娜. 无机材料学报. 2018(05)
[9]稀土晶体研究进展[J]. 徐兰兰,孙丛婷,薛冬峰. 中国稀土学报. 2018(01)
[10]弛豫铁电单晶的顶部籽晶法生长[J]. 何超,杨晓明,王祖建,龙西法. 中国科学:技术科学. 2017(11)
博士论文
[1]InP单晶装备及工艺热场技术研究[D]. 梁仁和.天津大学 2017
本文编号：3231037
【文章来源】：中国科学:技术科学. 2020,50(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
材料结晶生长方法.归纳了材料结晶典型的生长方法及其方法的改进
1961年,我国研制出了第一台提拉法材料结晶设备,并成功生长无位错硅单晶[111].该设备投料量只有1 kg,拉制单晶直径为35 mm.直到1988年,投料量增至30 kg,采用IRCON光学高温计和计算机对直径信号进行等径控制,实现单晶直径125 mm,并采用软轴提拉装置,大大降低设备高度.1996年,投料量达到60 kg,拉制单晶直径为200 mm.该设备上下轴的密封采用流体密封,密封效果好,旋转扭矩小,提高了整机运行的可靠性,籽晶提升采用了稳定可靠、性能优异的卷扬提升装置.1989年,75～100 mm区熔硅单晶的需求量不断上升,为此,我国研制出区熔法结晶设备.该设备设置具有晶体夹持装置、大直径焊接波纹管副室结构,传动部件采用精密滚动丝杠、直线运动导轨、直流力矩机等精密传动装置,提高了整机的运动稳定性.2009年,研究人员优化设计热区、生长条件、掺杂浓度,实现高生产率和生长速率控制,并在此条件下成功地生长出360 kg,直径450 mm硅单晶[112].V族元素半导体的熔点附近具有较高的蒸汽压,因而III-V族化合物通常需要在高压下进行生长,压力控制成为晶体生长最重要的控制参数.1975年,我国通过设计热场和合成系统,成功设计首台高压单晶炉并生长了InP半导体单晶.1980年,在第一代单晶炉的基础上设计第二代单晶炉,该炉体内安装了两只机械手用于安装磷注入系统,在注入原料合成后,可以在熔体上方移开磷注入系统实现连续晶体生长,因此可以生长直径142 mm的InP单晶,1995年,设计制造了第三代高压单晶炉,配备了具有稳定熔体作用的超导磁场,实现大尺寸单晶制备[113].在高压容器中配备了高温装备,组成高压高温设备用于生长金刚石等超硬材料,其中按容器结构的特点,大致可分为活塞-圆筒式、对顶压砧-压缸式、多压砧式(四面体、六面体等)和滑块多压砧式[114,115].
材料结晶设备的设计与发展需要根据材料结晶理论并考虑生长方法的工艺技术要求,包括改进生长室、温度、运动、压力控制等系统,开发了不同类别的设备.例如,全液封直拉(full encapsulated Czochralski)单晶炉[18]、气压控制直拉(vapor pressure controlled Czochralski)单晶炉[19]、加速坩埚旋转(ACRT-Bridgman)单晶炉[20]等.热场模拟技术的实现及发展,为开发新型设备提供了低成本的开发环境[21].随着设备制造技术和计算机自动控制技术的发展、对材料性能研究的深入以及产品器件对材料性能要求的进一步提高,现代结晶设备进入成熟期.因此,材料结晶设备向数字化、智能化、自动化发展.2 材料结晶的理论进展
【参考文献】：
期刊论文
[1]导模法生长微孔蓝宝石晶体工艺及性能研究[J]. 王东海,薛艳艳,李纳,周仕明,徐晓东,李东振,徐军,王庆国. 无机材料学报. 2019(12)
[2]坩埚下降法在新材料探索及晶体生长中的应用[J]. 徐家跃,申慧,金敏,张彦,田甜,陈媛芝,周鼎,储耀卿. 人工晶体学报. 2019(06)
[3]稀土晶体材料与应用[J]. 王燕,孙丛婷,张伟,涂朝阳,薛冬峰. 应用技术学报. 2019(01)
[4]Crystalline boron nitride nanosheets by sonication-assisted hydrothermal exfoliation[J]. Zhaobo TIAN,Kexin CHEN,Siyuan SUN,Jie ZHANG,Wei CUI,Zhipeng XIE,Guanghua LIU. Journal of Advanced Ceramics. 2019(01)
[5]Chemical bonding in micro-pulling down process: High throughput single crystal growth[J]. SUN CongTing,XUE DongFeng. Science China（Technological Sciences）. 2018(11)
[6]结晶生长的化学键合理论及其在稀土晶体快速生长中的应用[J]. 孙丛婷,薛冬峰. 中国科学:化学. 2018(08)
[7]物理气相传输法生长碳化硅单晶原生表面形貌研究[J]. 崔潆心,胡小波,徐现刚. 无机材料学报. 2018(08)
[8]增强可见光吸收和电荷分离的碳量子点/BiPO4纳米复合材料（英文）[J]. 张志洁,徐家跃,曾海波,张娜. 无机材料学报. 2018(05)
[9]稀土晶体研究进展[J]. 徐兰兰,孙丛婷,薛冬峰. 中国稀土学报. 2018(01)
[10]弛豫铁电单晶的顶部籽晶法生长[J]. 何超,杨晓明,王祖建,龙西法. 中国科学:技术科学. 2017(11)
博士论文
[1]InP单晶装备及工艺热场技术研究[D]. 梁仁和.天津大学 2017
本文编号：3231037
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