溶液喷流及平移运动条件下KDP晶体生长数值模拟与实验研究

发布时间：2020-09-17 17:21

　　磷酸二氢钾(KH_2PO_4,KDP)是KDP类晶体家族中的重要成员,它广泛用于光调制、变频、压电换能器等领域。特别是在强激光系统中,由于只有大口径、高质量的KDP晶体才能满足单晶器件的应用要求(如用于惯性约束聚变中的普克尔盒和谐波产生器等),且其需求量众多,因此,如何快速地生长出优质的KDP晶体成为目前研究的热点。为了缩短晶体生长周期,常用的手段是通过加强晶体附近的对流,改善物质输运过程,从而达到提高晶体生长速率的目的。令人遗憾的是,生长速率的加快也经常伴随着晶面形貌稳定性变差、包裹物产生等现象,最终导致晶体质量下降。晶面形貌失稳是包裹物等缺陷形成的重要原因,其通常由不利的对流条件直接造成。以目前的晶体生长方法来看,要解决上述问题,只局限在晶体生长的宏观操作条件(溶液温度、过饱和度、掺杂以及转动晶体方式等)的改进是远远不够的,必须在深入分析相界面附近对流物质输运是如何影响表面形貌和晶体质量的基础上,寻求改善晶体生长界面对流输运条件,探索快速生长高质量KDP晶体的新方法。本文利用流体动力学、传热传质学等专业知识,针对传统转晶法在制备KDP晶体过程所存在的问题,提出了新的晶体生长方法,并开展数值模拟和实验研究,主要包括以下内容:(1)在分析总结转晶法中不利的水动力学条件的基础上,提出一种名为“溶液喷流法”的新型晶体生长方法。通过数值模拟,获得了不同条件下晶体附近溶液流动及表面过饱和度分布。结果表明,相比传统转晶法,溶液喷流法中晶体锥面过饱和度得到提高且晶面边缘与晶面中心的过饱和度差异明显缩小;喷速越大,锥面时均过饱和度越高;相对于锥面,转速对柱面过饱和度的大小和分布有着较大影响;在晶体逐渐生长变大时,锥面时均过饱和度随之减小,其标准差显著增加,不利于晶体生长。另外,讨论了自然对流和强制对流在物质输运中的作用,发现当喷速大于0.6 m/s时自然对流的作用可以忽略。台阶推移模拟表明,溶液喷流法更利于台阶稳定推移,能够提高表面形貌的稳定性,有望提高晶体质量。(2)为了充分利用对流的优势,提出了晶体作周期性平移运动的新型晶体生长方式,同时开展了新型驱动机构搭建的工作。详细介绍了驱动机构的硬件架构及选型。以MPC08SP运动控制卡为核心,借助Visual Basic开发Windows环境下的运动控制系统,并给出了控制软件操作界面和部分代码。测试结果表明,该驱动机构达到了设计要求,为晶体生长实验的开展创造了条件。(3)测定了KDP晶体的溶解度以及溶液亚稳区宽度。发现随着温度的降低,溶液的亚稳区宽度变大;降温速率越快,亚稳区宽度也越宽。利用二维平移运动法开展了不同平移运动速度和摆放方式下的KDP晶体生长实验研究。研究了生长条件对所获KDP晶体在单晶结构、硬度、介电特性、位错、热性能以及激光损伤阈值的影响。实验结果表明:运动方式的改变并不会影响晶体的结构;相比转晶法,二维平移运动法所得晶体具有更高的硬度值;低的介电损失和位错密度则说明二维平移运动法生长的晶体具有较少缺陷;转晶法中晶体的热稳定性以及激光损伤阈值低于二维平移运动法。此外,不同的平移运动速度会对生长晶体的质量产生不同的影响。当平移运动速度为0.04 m/s时,晶体的质量最好。通过光学显微镜扫描发现,二维平移运动法中晶体表面台阶推移比转晶法更加稳定,有利减少缺陷产生的几率。(4)分别利用三维平移运动法和转晶法进行了KDP晶体生长实验,并通过拉曼光谱、透过光谱、锥光干涉与消光比、散射颗粒、位错以及激光损伤阈值测量的手段研究所得晶体性能。拉曼光谱显示,三维平移运动不会造成晶体结构的扭曲或者变形。三维平移运动法所得晶体的透过率明显高于转晶法,且在基波以及更高谐波处的透过率大部分在84%以上。比较锥光干涉与消光比实验结果可以发现,三维平移运动法晶体的光学均匀性要优于转晶法。低的散射颗粒以及位错密度则说明三维平移运动法所得晶体内部缺陷较少,质量更高。采用三维平移运动法生长的晶体的激光损伤阈值相比转晶法提高了约37%,显著提高了晶体的抗激光损伤能力。(5)设计并制作了基于平移运动的连续过滤生长系统,旨在消除晶体长时间生长过程中溶液产生的杂质、微生物以及微晶,防止溶液稳定性遭到破坏。重新设计了生长所需容器以及托盘,并确定了生长温度与过热槽温度的关系。晶体生长所需降温量是通过测量晶体尺寸得到的。验证性实验也表明,该系统能够维持溶液的稳定性,保证晶体生长的正常进行。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O78
【部分图文】：

晶体,几何外形,分子结构,原子

图 1.1 (a) KDP 晶体理想分子结构；(b) KDP 晶体几何外形Fig. 1.1 (a) Ideal molecular structure of KDP crystal; (b) Geometric shape of KDP crystal① KDP 晶体结构特征KDP 晶体为负单轴晶，属于四方晶系，其点群为(D2d 4—2m)，空间群为(D122d Id)。受益于 X 射线和中子衍射技术的发展，为人们研究 KDP 晶体内部结构提供方法[3-7]。图 1.1(a)展示了 KDP 晶体的空间结构。晶体中负离子配位多面体为O4基团，该配位多面体中 P 和 O 之间存在强烈的极化作用（共价键），且每一 P 原子被四个 O 原子所包围，呈现出四面体型。每个 PO4四面体 4 个角上的 O子均与 H 键相联结，H 键与 c 轴近似垂直。另外，PO4基团和 K 原子以离子键形式共存，在沿 c 轴方向上 K 原子与 P 原子交替排列的，并且 K 原子是与相邻 8 个 O 原子相连的。可以发现，KDP 晶体中同时混有离子键、氢键与共价键，是其在水溶液中主要电离为 K+和(H2PO4)-离子，因此也被认为是离子型晶体[8]。对于 KDP 晶体理想外形，如图 1.1(b)，解释比较成功是 Hartman 和 Perdok 提的周期性键链理论，即 PBC 理论[9-12]。该理论认为界面上的生长速率跟键合能

装置图,晶体生长装置

法晶体生长装置。1-托盘；2-KDP 晶体；3-转动密封装置；器；6-温控器；7-温度计；8-育晶器；9-水浴ing apparatus of KDP crystal used by traditional temperature-loDP crystal; 3- rotary seal device; 4-heater; 5- stirrer; 6-temperathermometer; 8-crystallizer; 9-water bath育 KDP 单晶的一种最常用的方法，其利用晶体的降温的方式使溶液处于过饱和状态，从而使籽晶不降温法生长装置图，这一种常用的 Holden 型育晶晶体生长实验开始时，只需将 z 切晶片固定在托盘之后在转动装置的带动下作正反转运动（加强对流，在晶体生长的整个期间，需要连续不断地对水浴的过饱和度。传统降温法中，由于晶体是在较低过的生长速度十分缓慢（低过饱和度下，由于杂质阻每天只有 1-2 mm/day，因此要达到 ICF 所需晶体尺

溶解度曲线,快速生长,过饱和度,溶液

重庆大学博士学位论文控制，但是由于电极长时间与溶液接触，则很有可能发生电测量精度，甚至造成溶液污染，所以并未得到推广。中国国辉[56]则是通过光学测高仪得到溶液中晶体的生长尺寸，密度，推算出晶体的质量，然后依据溶解度曲线和过饱和量以维持过饱和度恒定。此种方法比较简单，也是目前常过饱和度上存在时间上的滞后性。Kitamura 等人[57]以及本传感器实时测量晶体的生长质量变化量，并以此为依据调恒定过饱和度下稳定生长。循环流动法Temperature controllerUV lamp

【参考文献】