LTN单晶生长形态与生长机制的初步探讨

本文探讨了LTN单晶的生长机制与平衡外形。据此解释了该晶体的表面与胞状界面的形态,推测了提拉法培养晶体时生长稜的分布规律。所得结果与实验相符。     

Ni-Cu合金定向凝固海藻状生长形态的相场法模拟

利用微观组织相场法数值模拟技术,对Ni-Cu二元合金在温度梯度G=20K/cm条件下定向凝固的界面形态演化过程进行模拟仿真.基于均匀网格的有限差分法,采用C语言编制定向凝固晶体生长的相场法数值模拟程序,研究计算参数对凝固组织的影响,探讨定向凝固过程晶体的生长机制.研究结果表明:低的温度梯度条件下,初始平界面一旦失稳,快速形成胞状组织,在随后的演化过程中,侧向分支大量繁殖、尖端分裂,形成海藻状生长形态.因此,低温度梯度下二元合金定向凝固界面形态的转化形式为:平面状向胞状转变,最后转变为海藻状.     

硬脂酸单分子膜诱导下草酸钙晶体的生长

采用扫描电子显微镜(SEM),对比研究了硬脂酸(SA)单分子膜存在下的膜/液界面,无膜时的气/液界面以及在本体溶液中草酸钙晶体的生长规律.发现在没有单分子膜的气/液界面,草酸钙晶体呈无序生长,且与本体溶液中生长的草酸钙晶体具有相同的叉生晶型;而在有SA单分子膜存在下的膜/液界面,草酸钙晶体变为有序的孪生晶型;尿大分子硫酸软骨素A(C4S)抑制膜/液界面草酸钙晶体(101)晶面的二维生长,促使草酸钙形成薄片状晶体.     

高速定向凝固溶质偏析的相场法数值模拟

利用耦合溶质场的相场模型,采用温度冻结近似条件对单相二元合金高速定向凝固的界面形态及溶质偏析进行了模拟,展现了定向凝固过程中的平-胞-平转变,研究了固相扩散系数Ds及溶质梯度系数δ对模拟结果的影响.研究结果表明,随着界面推进速度的增加,界面形态由初始平面生长转变为胞晶/细胞晶以及平界面生长;随着固相溶质扩散系数Ds的增加,界面推进速度减小,溶质分配系数减小,界面前沿溶质扩散层变厚,微观偏析程度减小,得到成分均匀的胞晶组织.但是,当Ds小于10-7cm2/s时,Ds对界面推进速度及溶质浓度分布都没有明显的影响.随着溶质梯度系数δ的增加,胞晶尖端生长速度相应增加,溶质分配系数k增大,溶质截留效应明显.     

LiNbO3晶体小面生长动力学的实验研究

按同成分配比的ＬｉＮｂＯ３的原料中，掺入溶质钇，用提拉法生长晶体时，人为地引入生长层，生长层记录了不同时刻的生长界面形态，借以追溯生长过程中固－液界面的形态和演变过程。晶体沿Ｙ轴生长，ＬｉＮｂＯ３晶体形成小面的｛０１１２｝面族中的（０１１２）面与生长轴的夹角最小，它与凸的固－液界面相切时，形成小面生长区。利用“倾倒法”使晶体和熔体快速分离，在晶体底部观察到平坦的（０１１２）面小面生长区。通过不同的晶体截面，观察了晶体内（０１１２）面小面生长区的形态。测量了小面半径与相应的固－液界面的曲率半径。结果表明：小面半径的平方与相应的固－液界面的曲面的曲率半径成比例，这一结果与小面生长的动力学理论预言的结论相一致。最后讨论了小面生长机制，计算了小面生长比非小面生长所需要增加的过冷度。     

交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的影响

对交流电场作用下定向凝固组织的研究发现,交流电场对定向凝固组织有细化作用,且随电流的增大,其效果越明显,同时交流电场使凝固界面的溶质含量减小.通过对电场各种作用的分析发现:界面的化学势的减小使界面的稳定性增加;但界面能的增大、活度系数的减小以及界面溶质层内的震荡会使界面变薄,使界面的稳定性减小,从而破坏了胞晶的稳定生长,使柱状胞晶变成细碎的晶体.     

扰动对单相合金定向凝固固液界面生长形态的影响

研究了扰动对单相合金在定向凝固过程中平面晶和胞晶固液界面生长形态的影响规律，给出了单相合金由平面晶向胞晶转变的临界条件及胞晶稳定生长的条件，首次用非线性理论中的线性稳定性理论，证明了单相合金在定向凝固过程中，固液界面由平面晶向胞晶转变和胞晶生长的分太 亚临界分叉；利用有机物模拟合金ＢｒＣ４在固液界面的面前沿有扰动的情况下进行实验，研究了固液界面前沿扰动对固液界面平胞转变和胞晶生长的分叉机制的影响规     

BaB2O4单晶快速生长时的界面形态与表面台阶形貌

利用微分干涉显微镜和原子力显微镜, 分别研究了快速生长的BaB₂O₄单晶固液界面形状的演化和晶体(0001)显露面上的台阶形貌. 结果显示, 在快速生长条件下, 晶体固液界面会由平坦状向骸晶状界面转变; 而晶体表面台阶的形貌与晶体生长的方向密切相关, 沿着<1010>方向运动的台阶束构成台阶流形貌, 而沿着<0110>方向运动的台阶束则表现为台阶片段的形貌. 通过AFM分别计算了表面上不同方向排列的纳米尺度上台阶的高度, 从而估算了晶体生长构造单元的尺寸, 结果说明在快速生长时溶液过饱和场的极度不均匀性造成的构造单元尺度和台阶聚并行为的各向异性是引起台阶流形貌各向异性的主要原因.     

多晶硅凝固界面形态演化过程的相场法模拟分析

采用有限差分法求解小平面晶生长Wheeler相场模型,对多晶硅凝固界面形态演化过程进行相场模拟,详细分析了初始晶核条件、扰动强度和时间步长对界面形态演化的影响。结果表明:在多晶硅凝固过程中,九个晶核初始条件下,固液界面比较平坦,晶核生长空间差异小,易于形成垂直于生长界面的棱角胞晶组织。随着扰动强度的增加,棱角胞晶出现侧向分支,根部缩颈严重甚至出现熔断现象。选择强度为0.01的界面扰动,能够真实再现多晶硅凝固界面形态演化过程。在保证计算结果稳定性条件下,增加时间步长能够提高相场模拟计算效率。     

重力对流对凝固界面形态的影响

以模型合金丁二腈-5%(质量分数)乙醇作为实验对象, 研究了垂直于生长方向的重力对流作用下, 固/液界面形态的动态演化过程. 结果表明, 对流提高了平界面的稳定性, 阻止了凸缘的快速发展; Stokes 力和重力的双重作用造成了胞晶尖端形态的顺流偏转. 胞-枝转变过程中, 迎流侧二次臂形成较早, 先形成枝晶. 枝晶迎流侧二次臂生长较快而且发达, 一次间距增大, 顶端半径减小.     

用于空间半导体区熔生长仿真系统的数学模型

本文提出一个晶体区熔生长的数学模型,可以根据炉管上十个热电偶的温度值计算出试样中的温场,再进一步计算出熔区位置、熔区宽度、生长界面的形状、生长速率和生长界面处的温度梯度等.材料科学家根据上述参数,可实时监控晶体的生长.     

金红石(TiO2)单晶体的生长研究

通过对比晶体在不同气氛中生长与退火的结果,研究了焰熔法生长金红石单晶体的工艺条件·结果表明:炉膛气氛是决定晶体能否形成的关键因素,在合适的气氛条件下,晶体易于生长,生长速度范围较宽,可以长成较大尺寸的单晶体,否则,依赖调整(增加或降低)生长速度,不能形成完整的晶体·炉膛气氛中的氧分压大于液固界面(即生长界面)处熔体的氧离解压是生长完整晶体的前提条件;晶体在退火过程中消除热应力,但更重要的是氧化反应,消除氧空位,在氧气氛中退火,可明显缩短退火时间,并能获得呈透明状,微有浅黄色(金红石本色)的金红石单晶体·     

泡生法生长蓝宝石晶体的气泡缺陷研究

研究了泡生法生长蓝宝石单晶过程中,单晶内的气泡的产生、分布形态以及形成原因等。结果表明,原料的纯度、固液界面的稳定性是决定气泡分布的关键因素,其中固液界面的稳定性又取决于合理的生长工艺条件,尤其是晶体的生长速率和合适的温场设计。     

Z_rAl_3晶体的表面能与附着能的数值计算

为了推导出晶体的平衡形态与埋论生长形态,必须计算晶体各晶面的表面能与附着能.本文以ZrAl_3晶体为例,阐述了这一计算的原理以及为进行这一计算所编写的计算程序.根据计算结果所得出的ZrAl_3晶体的理论生长形态与实际观察结果相符.     

有限元法用于晶体生长形态的研究

给出了一种新的椭圆型有限元网格生成方程,该方程综合考虑了网格的平滑性、正交性和适应性,并被成功地地研究各向异性生长晶体的自由生长过程的形态。该方法也可被推广应用春他的自由界面问题中,同时,根据选取不同形式的生长动力学方程研究了各向异性晶体的自由生长过程,得到了与一般理论相一致的结果。     

物理气相传输(PVT)法生长碳化硅的晶体形态热应力分析

利用有限元方法对物理气相传输(PVT)法生长碳化硅晶体过程中出现的3种典型生长形态进行了热应力分析.结果表明:在3种晶体生长形态中,热应力最大值都出现在晶体与石墨坩埚盖接触区域;平面型生长形态中温度场及相应的热应变场和等效应力场分布均比较均匀;凸面型和凹面型生长形态的温度场及相应的热应变场和等效应力场分布均变化较大,而且在凸面型的中间区域和凹面型的边缘区域也存在较大的应力值.因此,为提高晶体质量,提出在石墨坩埚盖上沉积或反应生成碳化硅过渡层来减小热应力的改良方法,同时调整碳化硅晶体生长系统,尽量保证碳化硅晶体的平面型生长形态.     

提拉法生长YAG:Nd~(3 )晶体的界面翻转及其控制

本文通过理论分析和实验发现,在界面翻转期间,对界面的良好控制是防止缺陷增生、生长完整晶体的一个重要措施.为此,设计出了一种简易的控制固液界面形状的程序控制系统,使用该系统有助于拉制高质量的YAG晶体.     

各向异性表面张力对柱晶界面形态的影响

本文研究了拟稳态时各向异性表面张力作用下柱晶界面的生长行为。在运用渐近分析方法求解柱晶界面形态数学表达式的基础上,分析在不同各向异性表面张力强度影响下柱晶界面形态的变化。各向异性表面张力对柱晶界面形态有显著影响。在柱晶生长开始阶段,柱晶部分界面首先向内收缩,当收缩达到某个临界值后,界面开始向外生长。柱晶界面沿着优先生长方向更快地生长。柱晶界面形态上形成突起变形,各向异性表面张力强度越大,柱晶界面形态的突起变形越明显。     

生物膜孔模版中多形态ZnO纳米结构的生长及性能

以天然鸡蛋壳膜为模版,Zn(NO3)2乙醇溶液为溶剂,将鸡蛋壳膜在室温下(T=300 K)经过溶剂浸泡,然后叠放一定层数进行退火处理,生长出ZnO纳米晶体.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光光谱仪分析了ZnO纳米晶体的形态、结构和荧光特性,研究了纳米晶体的生长模式,讨论了叠膜层数对其生长模式和形态的影响.鸡蛋壳膜孔中生长的ZnO纳米晶体为六方纤锌矿结构,纳米晶体的尺寸和形态依赖叠模版的层数.叠放单层模版,模版容易发生卷曲,使其中生长的ZnO颗粒自组装成管状;叠放多层模版,模版之间的相互限制控制了ZnO的生长方向,使ZnO颗粒趋向于聚集成致密的六角形片状形态.ZnO颗粒的尺寸随膜层的增加而减小,各种形态的ZnO纳米晶体都具有强的紫外荧光.     

电熔AZS材料中各晶相的形貌学研究

研究晶体的生长形态与形成该形态的物理化学条件,最终控制显微结构的形成,是材料科学的重要研究任务。本文研究了工业应用的电熔AZS材料中出现斜锆石晶相,刚玉斜锆石共晶体、斜锆石-莫来石共晶体的形貌。从凝固过程出发,运用界面结构理论及成分过冷等概念,对AZS材料中各晶相的形貌及其形成的物理化学条件关联起来进行了讨论。