Ⅲ-Ⅴ族半导体微重力生长研究进展

空间微重力环境为理解被地面重力场掩盖的晶体生长现象与规律、探索新的晶体制备工艺提供了独一无二的平台.我国学者在过去的30多年里进行了Ⅲ-Ⅴ族半导体晶体的空间生长研究,主要进展有:在微重力条件下得到了器件级的半绝缘GaAs,基于其制备的低噪声场效应晶体管和模拟开关集成电路性能明显超过地基器件;通过抑制熔体静压力的作用,实现了GaSb及InSb两种材料的非接触Bridgman生长,并大幅降低了材料的位错密度;深入研究了浮力对流、Marangoni对流及旋转磁场驱动的强制对流对组分微观偏析的影响规律;将垂直梯度凝固法应用于半导体合金生长,获得了组分均匀分布的GaInSb材料.本综述回顾了以上方面的研究进展,并对半导体空间材料科学的未来挑战进行了展望.     

ACRT强迫对流对定向凝固过程传热传质的影响

计算模拟了采用加速坩埚旋转技术的Bridgman法(ACRT-B)碲锌镉单晶体生长过程,以流函数图清晰地展示了晶体生长过程中固液界面前沿对流的周期性变化,以等温线图展示了界面前沿熔体温度场的变化,以等浓度线图展示了晶体内的组分偏析.计算结果表明:强迫对流显著提高了熔体中溶质分布的均匀性,可得到均一的熔体浓度场.强迫对流显著增加了固液界面凹陷深度.与不施加ACRT相比,强迫对流增加了晶体内溶质成分的轴向偏析,显著减小了径向偏析.     

空间微重力环境中的晶体生长研究进展

 随着信息技术和生物技术的发展, 人们对于结构完整、性能完美的高品质光电子晶体和蛋白质晶体的需求愈加迫切。地面重力条件下存在自然对流,它显著地影响热量和溶质的输运过程以及晶体/溶液界面边界层特性,进而影响晶体的品质和性能。空间微重力环境提供了纯扩散晶体生长的理想条件,在此条件下有可能生长出高性能的单晶体。在过去30多年的微重力实验中,科学家通过搭载卫星、飞船和空间站等航天器,开展了一系列空间晶体生长研究。本文综述几种主要晶体的实验研究进展,内容包括：半导体晶体、特殊功能晶体、非线性光学晶体、蛋白质晶体和食盐晶体。     

原子力显微镜研究蛋白质晶体生长机理及进展

原子力显微镜(AFM)这种能进行微尺度测量的精密仪器是目前研究晶体生长机理最为有效的方法之一,在晶体生长机理研究中起到了重要的作用,尤其是对于蛋白质晶体生长的研究显得更为突出.分别简明地阐述了利用AFM进行蛋白质晶体生长研究的工作原理,以及在这方面已经取得的研究成果,包括二维台阶生长、螺旋位错生长、法向生长、三维成核生长、台阶发展的不对称性、及杜仲抗真菌蛋白(EAFP)和天花粉蛋白(TCS)晶体生长的新进展.论述了利用空间微重力环境进行蛋白质晶体生长及空间蛋白质晶体生长的科研和应用, 指出今后进行蛋白质晶体生长研究的趋势和前景.     

一种固相中生长尿素晶体的新方法

尿素晶体的生长方法种类较多,多是在溶液中进行.本文介绍了一种固相中生长尿素晶体的新方法,以固体化肥颗粒作为载体,腐植酸、蘑菇渣提供生长环境,在溶剂辅助的作用下,室温生长得到针状尿素晶体.在晶体生长过程中,环境通过提供微通道、化学吸附与物理吸附等作用,促进了尿素晶体的形成,溶剂的挥发为晶体生长提供了伸展向颗粒表面的牵引力,最终晶体在固相中沿着孔径生长.得到的晶体最长约为1.5 cm,平均长度在2 mm~3 mm之间.     

在空间微重力条件下斑头雁血红蛋白晶体生长

为获得高质量的斑头雁血红蛋白晶体,在我国返回式卫星FSW-2上进行了两次蛋白质晶体生长实验。首次在1992年实验中生长出了小晶体;在进一步改进样品准备和精化结晶条件基础上,在1994年第2次实验中获得了适合于X射线分析的晶体。经收集X射线衍射数据和统计分析表明,空间微重力条件有利长出优于地面对照组的晶体,其衍射分辨率比地面高约0.06nm。在相同的晶体生长条件下,空间易生长出正交晶系的、c轴方向周期较长的血红蛋白晶体。     

微重力环境中流体特性及其在材料科学中的应用,

航天事业的发展,开拓了宇宙实验验室,为人类带来了珍贵的实验条件——微重力环境,它是指重力加速度低于10~(-6)g的航天器内环境,也可以说是一种“失重”环境。在微重力环境中,不仅重力微弱,而且还有超高真空、深冷、超净、无振动及充足的阳光等优异条件。作者对微重力环境流体的特性进行了定量分析。液体在微重力环境的静压梯度的绝对值是其在普通重力场中的1/10~6,可认为它趋于0,密度梯度也趋于0,由静压梯度引起的浮力也将趋于0,从而悬浮和沉定现象也消失;微重力环境中,在两水平层间发生对流的可能性减小到普通重力空间的1/10~6。在此环境中,液膜没有弯曲现象,拉制的薄片、薄膜和线材结构极为均匀,且厚度和直径非常理想。因无静压梯度、沉淀和悬浮,有利于冶炼优质金属及合金材料,生产均匀性达理想程度的晶体和玻璃材料。在无对流的条件下,材料的扩散控制容易实现,输运过程简化。在晶体或玻璃的生产过程中,可消除冷却结晶阶段因对流而引起的混合、扰动,还可实现材料生产的无容器过程。消除了因容器壁引进杂质和感应成核的问题,文章还探讨了微重力对流体力学基本方程组的影响。     

二维DNA晶体在水-甲醇体系中生长的研究

报道了一种新的DNA晶体的生长体系,即甲醇-水(甲醇体积比50%)体系.甲醇-水体系是DNA晶体生长较宽松、容易的环境.TEM和AFM观察到在甲醇-水体系中生长的DNA晶体比在水中生长的DNA晶体更大,而且DNA晶体的构象发生了明显的变化,可能存在有B-,A-和Z-3种构象.     

全In组分可调InGaN的分子束外延生长

Ⅲ族氮化物InxGa1-xN合金为直接带隙半导体,其禁带宽度随着In组分变化从3.43 e V(Ga N)到0.64e V(In N)连续可调,波长范围覆盖了0.3–1.9μm,具有电子饱和速度高和光学吸收系数大等特点,是制备高效率全光谱太阳能电池和白光照明器件的理想材料.由于缺少合适的衬底,In N和InxGa1-xN薄膜通常生长在蓝宝石或Ga N模板上.本论文综述了采用MBE方法,在蓝宝石衬底和Ga N模板上生长了In N和全组分InxGa1-xN薄膜的生长行为和材料物理性质.利用MBE边界温度控制法在蓝宝石衬底上生长高室温电子迁移率的InN薄膜,利用温度控制外延法在Ga N/蓝宝石模板上制备了全组分InxGa1-xN薄膜.     

晶体培养过程连续过滤系统设计

针对在磷酸二氢钾晶体生长过程中,生长溶液自发结晶导致杂晶颗粒不断增加,破坏溶液的稳定性,损害晶体的光学品质等问题,设计了连续过滤系统。该系统对生长溶液进行连续过滤循环,溶解杂晶,滤除杂质,为晶体生长提供更加稳定的溶液环境。同时设计了晶体培养过程自动控制系统,为获得高质量晶体提供保证。     

三元氮化物纤锌矿结构混晶In_xGa_(1-x)N中的光学声子

采用修正的无轨离子位移模型研究三元氮化物纤锌矿混晶中的光学声子模.用微扰法对系统的弗留里希耦合常数、混晶的介电常数和谐振子强度进行计算和讨论.结果表明,纤锌矿结构InxGa1-xN中的光学声子能量等物理量随组份x出现明显非线性变化,In与Ga原子之间的相互作用对混晶的性质有显著的影响.     

应变对In_xGa_（1-x）As能带结构的影响

从理论上计算生长在GaAs衬底上的InxGa1-xAs合金材料的带隙变化,分析应变对其能带结构的影响。结果表明,InxGa1-xAs所受应变与In组分近似为线性关系;在应变的影响下材料带隙变大,价带能级产生分裂。利用合金组分的变化与InGaAs带隙的变化关系,可实现对材料带隙的调节,对器件的研究设计提供参考。     

Room-temperature ferro-magnetic semiconductor MnxGa1-xSb

Magnetic semiconductors can combine the semi- conducting properties with magnetic properties, and be used in these applications, such as magnetic field sensors, magnetic memory elements and, in long range, quantum computation and communication.Ⅱ-Ⅵ based diluted magnetic semiconductors (DMSs) have been extensively studied[1—3], because some magnetic ions are easily incor-porated into Ⅱ-Ⅵ compounds by substituting group Ⅱ atoms. It was conventionally considered that the equilib-rium solubi…     

基于反射光谱的InxGa1-xN半导体薄膜厚度测量

氮化镓薄膜是制造蓝紫光光电子器件的理想半导体材料之一。三元合金InGaN薄膜是优良的全光谱材料而且不同In组分的InGaN薄膜叠层可用于研制高效率薄膜太阳电池。精确测量InGaN薄膜的厚度有利于研制高效率的光伏器件。本文利用分光光度计实验研究了蓝宝石衬底金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的铟镓氮（InGaN）半导体薄膜的反射光谱。基于薄膜干涉原理,计算分析了InxGa1-xN薄膜的厚度;结果发现利用反射光谱中不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差度的平均值为4．42％。结果表明用反射光谱的方法测量InxGa1-xN薄膜的厚度是可行的。     

基于反射光谱的InxGa1-xN半导体薄膜厚度测量

氮化镓薄膜是制造蓝紫光光电子器件的理想半导体材料之一。三元合金InGaN薄膜是优良的全光谱材料而且不同In组分的InGaN薄膜叠层可用于研制高效率薄膜太阳电池。精确测量InGaN薄膜的厚度有利于研制高效率的光伏器件。本文利用分光光度计实验研究了蓝宝石衬底金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的铟镓氮（InGaN）半导体薄膜的反射光谱。基于薄膜干涉原理,计算分析了InxGa1-xN薄膜的厚度;结果发现利用反射光谱中不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差度的平均值为4．42％。结果表明用反射光谱的方法测量InxGa1-xN薄膜的厚度是可行的。     

微重力环境下横向旋转磁场对热表面张力流的影响

微重力环境下外加磁场可以有效地控制浮区法晶体生长中的热表面张力流,从而提高半导体晶体生长的质量。在比较相同强度（7 mT）的横向静态磁场与横向旋转磁场对热表面张力流影响的基础上,研究了外加横向旋转磁场（旋转频率50 Hz）对三维半浮区熔体热表面张力流的控制。结果表明：横向旋转磁场对熔体产生周向搅拌作用和轴向抑制作用,其有助于三维热表面张力流转变为二维轴对称流动。浮区法晶体生长中,横向旋转磁场是一种比较理想的熔体对流控制方法。     

Numerical study of water mist centerline velocity in microgravity

With water mist regarded as a promising fireextinguishing agent in spacecraft, it is necessary to investigate characteristics of water mist in microgravity. In this paper, FDS 6.0 is used to measure the centerline velocity of water mist with various initial velocities and the spray distance. The droplets will approach their terminal velocity after leaving the nozzle in normal-gravity, which agrees with the theoretical calculation. The velocity of water mist declines in microgravity. The polynomials of the velocity change are given in microgravity, which makes it possible to obtain the velocity with the spray distance increase when arbitrary initial velocity is given.     

The research and progress of micro-fabrication technologies of two-dimensional photonic crystal

The novel material of photonic crystal makes it possible to control a photon, and the photonic integration will have breakthrough progress due to the application of photonic crystal. It is based on the photonic crystal device that the photonic crystal integration could be realized. Therefore, we should first investigate photonic crystal devices based on the active and the passive semiconductor materials, which may have great potential application in photonic integration. The most practical and important method to fabricate two-dimensional photonic crystal is the micro-manufacture method. In this paper, we summarize and evaluate the fabrication methods of two-dimensional photonic crystal in near-infrared region, including electron beam lithography, selection of mask, dry etching, and some works of ours. This will be beneficial to the study of the photonic crystal in China.     

微重力下单晶硅生长中热毛细对流的控制研究

在微重力条件下用浮区结晶法生长半导体单晶硅独具优势，但自由界面的温度梯度所诱发的热毛细对流对晶体质量的影响却更为突出。文中提出一种抑制热毛细对流的新方法-表面截割法，即通过适当改变自由表面的状况业抑制热毛细对流；在建立了半浮区（液桥）热毛细对流的数学模型的基础上，利用有限元法对不同截割方式下的流场、温度场做了数值模拟分析。结果表明，表面截割对浮区内的热毛细对流有很好的抑制作用，适当增加截割次数，可使热毛细对流削弱70%以上。