幾種氧化物晶體的數(shù)值模擬、生長及性質(zhì)研究.pdf

1、功能晶體材料具有光、電、熱、聲、磁等多種特殊的物理效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于微電子、通訊、醫(yī)療、軍事、科研教育、勘探等眾多領(lǐng)域。如今，激光、能源、信息、航天等高新技術(shù)的發(fā)展，對功能晶體又提出了新的和更高的要求，使它們成為當(dāng)前材料科學(xué)與工程發(fā)展的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。 在各種晶體生長方法中，提拉法因具有易觀察、生長周期短、可控性好等優(yōu)點(diǎn)成為晶體制備的首選方法。而熔體中晶體的生長是一個簡單而又復(fù)雜的液--固相變過程，熔體在一定條件下于固/液界

2、面處定向凝固，使生長單元有規(guī)則排列形成單晶。因此，固/液界面的狀態(tài)及形狀直接影響到晶體質(zhì)量的好壞。同時，晶體生長過程是一個釋放潛熱的過程，生長系統(tǒng)內(nèi)的各單元因傳導(dǎo)、對流、輻射等存在熱量交換；熔體在浮力、壓力、磁場、晶體旋轉(zhuǎn)和坩堝旋轉(zhuǎn)等條件下也會產(chǎn)生不同類型的對流，對流狀態(tài)會影響到熔體中的質(zhì)量傳輸和熱量傳輸。所有這些現(xiàn)象可最終歸結(jié)為晶體生長的兩大基本問題，傳質(zhì)和傳熱，它們決定著晶體生長的整個過程，是影響晶體質(zhì)量的根本原因。于是，人們通過實

3、物模擬和數(shù)值模擬的方法去了解這些熱量、動量、質(zhì)量傳輸過程。但實物模擬因其眾多的不足無法使人們?nèi)コ浞终J(rèn)識這些過程。而數(shù)值模擬只要模型選取和條件設(shè)置合理，就可以對生長系統(tǒng)中的溫度場、速度場及濃度場等給出詳細(xì)的描述；對生長界面形狀及其發(fā)展做出準(zhǔn)確預(yù)測；對晶體中的缺陷形成和分布做出合理的解答，提供給人們更多的關(guān)于質(zhì)量傳輸和熱量傳輸?shù)男畔?，認(rèn)識各種生長條件對晶體生長的影響，為尋求最佳的生長工藝條件，提高晶體質(zhì)量和成品率提供了參考，同時也大大縮短了

4、試驗周期，節(jié)約了成本。因此，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今研究和改進(jìn)晶體生長方法的重要工具，并已在工業(yè)化單晶的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮了巨大作用。 本論文主要是通過CGSim軟件對提拉法晶體生長中的質(zhì)量傳輸、熱量傳輸進(jìn)行了模擬研究，分析了各生長參數(shù)對晶體生長過程和晶體質(zhì)量的影響。同時根據(jù)實用要求，生長了電光Q開關(guān)用光學(xué)級硅酸鎵鑭（LGS）晶體，摻雜稀土釹離子硅酸鎵鑭（Nd：LGS）晶體和摻雜釹離子鈣鎵石榴石（Nd：CNGG）晶體，結(jié)合軟件對晶體

5、生長過程遇到的問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對性提出了相應(yīng)的解決方案，對所生長晶體的質(zhì)量、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和激光性能進(jìn)行了研究。主要包括以下幾方面 一、軟件模擬 介紹了CGSim軟件的基本模塊及其所使用的主控方程和邊界條件；針對LGS晶體和CNGG晶體開展了數(shù)值模擬工作。模擬了各生長參數(shù)對生長系統(tǒng)中傳質(zhì)和傳熱過程的影響，包括：晶體旋轉(zhuǎn)速度對晶體生長界面的影響，提拉速度對加熱功率的影響，晶體直徑和坩堝尺寸對熔體中對流的影響，坩堝

6、旋轉(zhuǎn)在晶體生長中的作用，Marangoni對流在熔體表面處的作用及熔體液面高度對熔體中對流行為和生長界面的影響等。 二、晶體生長 1．光學(xué)級硅酸鎵鑭（LGS）晶體，摻釹硅酸鎵鑭（Nd：LGS）晶體生長以高純原料La2O3，Ga2O3，SiO2，Nd2O3通過固相反應(yīng)合成了晶體生長用多晶料。采用提拉法并在改裝的晶體生長自動等徑程序控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)分別生長了光學(xué)級LGS電光晶體和摻釹濃度為1at％的Nd：

7、LGS激光晶體。討論了溫場、原料配比、固液界面、后熱器、生長工藝參數(shù)等因素對晶體生長的影響及提高晶體質(zhì)量的途徑與方法。 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上針對晶體生長中出現(xiàn)的相關(guān)缺陷進(jìn)行了相應(yīng)分析并提出解決方案，主要包括： 生長核心與生長界面。凸界面生長易產(chǎn)生小面而在晶體中心部位形成生長核心，采用平界面生長可以有效消除該核心。 散射顆粒。晶體在放肩部位及轉(zhuǎn)等徑生長之前由于雜質(zhì)不能有效從晶體下方排出而在晶體中形成散射顆粒，影響了晶

8、體的光學(xué)均勻性，采取放肩時加大晶體轉(zhuǎn)速或坩堝旋轉(zhuǎn)等措施可以減少散射。 生長條紋。晶體生長過程中的功率波動等會在引起晶體生長速率的變化，帶來生長條紋，因此必須保持控溫裝置和機(jī)械裝置的穩(wěn)定工作。 肩部開裂。平放肩晶體生長過程中，由于晶體肩部直接裸露于較低溫的生長環(huán)境中而增加了晶體的熱散失，進(jìn)而造成晶體肩部存在較大的溫度梯度，易引起開裂。加大后熱器高度可以有效降低晶體肩部處的溫度梯度，避免開裂。 2．Nd：CNGG晶體

9、的生長 以高純原料CaCO3，Ga2O3，Nb2O5，Nd2O3通過固相反應(yīng)合成了晶體生長用多晶料，結(jié)合對Nd：CNGG晶體的模擬結(jié)果，于坩堝內(nèi)半滿的熔體條件下，同樣采用提拉法生長了無序結(jié)構(gòu)Nd：CNGG激光晶體。釹離子摻雜濃度為0．5at％。 三、LGS晶體質(zhì)量檢測及Nd：LGS和Nd：CNGG晶體性能測試 1．LGS晶體質(zhì)量檢測 電光Q開關(guān)用LGS晶體必須具備高的光學(xué)質(zhì)量，主要通過靜態(tài)消光比測試了晶體

10、的光學(xué)均勻性。通過對晶體不同部位的X射線熒光試驗分析了晶體組分的均勻性，利用XRD粉末試驗計算了晶體晶格參數(shù)的變化情況，所有這些試驗結(jié)果均顯示所長LGS晶體具有較高的光學(xué)質(zhì)量和組分均勻性，可滿足于電光應(yīng)用。 2．Nd：LGS晶體性能測試 2．1分凝測試：利用X射線熒光對晶體中的Nd離子進(jìn)行了分凝測試，結(jié)果表明釹離子在晶體中的分凝系數(shù)約為0．87，因而，LGS晶體可進(jìn)行較高濃度的摻雜。 2．2熱學(xué)性質(zhì)是激光晶體需要

11、考慮的重要參數(shù)。系統(tǒng)測量了Nd：LGS晶體的比熱、熱膨脹、熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)性。差熱掃描量熱計（DSC）測得晶體室溫下的比熱為0．376 J/g·K，熱機(jī)械分析儀研究了晶體在30--500℃不同方向的熱膨脹性，計算了其線性熱膨脹系數(shù)，分別為α11=6．05×10-6/K，α33=4．24×10-6/K。用激光脈沖法測定了晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)為λ11=0．658mm2/s，λ33=0．813mm2/s，并根據(jù)密度及比熱計算了晶體的熱導(dǎo)率，室溫下晶

12、體的熱導(dǎo)率分別為k11=1．42 W/m·K和k33=1．75W/m·K，高于玻璃的熱導(dǎo)率，因此，Nd：LGS晶體可應(yīng)用于中等功率激光系統(tǒng)中。 2．3光譜測試： 激光晶體的光譜特性決定了該晶體應(yīng)用范圍和激光特性。我們測量了Nd：LGS晶體的吸收和發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)晶體對σ偏振方向的吸收遠(yuǎn)大于對π方向的吸收，在808 nm處有強(qiáng)的吸收峰，其偏振吸收系數(shù)分別為3．51×10-20 cm2（π偏振）和8．1×10-20cm2（σ偏

13、振），其半峰寬度為20 nm，約為摻Nd釩酸鹽和Nd：YAG晶體的10倍；其發(fā)射光譜表明：在1066 nm處，Nd：LGS晶體具有最強(qiáng)的發(fā)射峰，其光譜寬度從1020nm到1120 nm，與Nd摻雜玻璃相差不大，除此之外，還存在904nm和1343nm處的發(fā)射。 2．4激光性能 首次對Nd：LGs大功率LD泵浦的激光性能進(jìn)行了研究，獲得最大輸出功率為2．25W，光光轉(zhuǎn)化效率為28．7％的連續(xù)激光輸出，并對其激光光束進(jìn)行了表

14、征；首次以Cr：YAG為飽和吸收體實現(xiàn)了該晶體的被動調(diào)Q激光輸出，得到了最大平均輸出功率為0．54W、最大單脈沖能量為175μJ、最短脈沖寬度為23．4ns、最大峰值功率為5．02kW脈沖激光輸出。由于LGS晶體已經(jīng)被證明是一種優(yōu)秀的電光晶體，我們認(rèn)為Nd：LGS晶體應(yīng)該是一種兼具電光和激光的自調(diào)制激光晶體，進(jìn)一步的實驗仍在進(jìn)行中。 3．Nd：CNGG晶體性能測試 3．1晶體的熱學(xué)性質(zhì) 差熱掃描量熱計（DSC）測

15、得室溫下晶體的比熱為0．595 J/g·K，熱機(jī)械分析儀測量了晶體于30-500℃范圍內(nèi)的熱膨脹性，計算了其線性熱膨脹系數(shù)為7．88×10-6/K，激光脈沖法測得室溫下晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)為1．223 mm2/s，同樣根據(jù)密度和比熱計算了晶體的熱導(dǎo)率為3．43W/m·K。 3．2晶體的熱光系數(shù) 熱透鏡效應(yīng)是高功率激光下必須考慮的因素。以808nm的LD為泵浦源，采用平-平腔，測量了晶體沿<111>方向的熱透鏡焦距大小，通過對