材料是物理性能的產(chǎn)生及能量相互轉(zhuǎn)換的重要載體,材料結(jié)晶是新材料創(chuàng)制的核心和探索的前沿方向.多尺度材料結(jié)晶是相關(guān)領(lǐng)域研究人員共同面臨的科學(xué)問題.材料結(jié)晶模型是以相圖為基礎(chǔ),確定材料的組成與相關(guān)物理化學(xué)參數(shù),結(jié)合材料結(jié)晶理論和生長方法共同構(gòu)建材料結(jié)晶.本文綜述了從成核到生長的主要理論與部分材料結(jié)晶生長方法,指出材料結(jié)晶研究向著多尺度、多因素、定量化的方向發(fā)展.材料結(jié)晶設(shè)備向著自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展.材料結(jié)晶研究了多尺度的相演變過程,包含從成核到生長的質(zhì)量與能量傳遞過程,需要多學(xué)科交叉領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展. 

【文章來源】：中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2020,50(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

材料結(jié)晶生長方法.歸納了材料結(jié)晶典型的生長方法及其方法的改進(jìn)

1961年,我國研制出了第一臺提拉法材料結(jié)晶設(shè)備,并成功生長無位錯硅單晶[111].該設(shè)備投料量只有1 kg,拉制單晶直徑為35 mm.直到1988年,投料量增至30 kg,采用IRCON光學(xué)高溫計和計算機(jī)對直徑信號進(jìn)行等徑控制,實(shí)現(xiàn)單晶直徑125 mm,并采用軟軸提拉裝置,大大降低設(shè)備高度.1996年,投料量達(dá)到60 kg,拉制單晶直徑為200 mm.該設(shè)備上下軸的密封采用流體密封,密封效果好,旋轉(zhuǎn)扭矩小,提高了整機(jī)運(yùn)行的可靠性,籽晶提升采用了穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)異的卷揚(yáng)提升裝置.1989年,75～100 mm區(qū)熔硅單晶的需求量不斷上升,為此,我國研制出區(qū)熔法結(jié)晶設(shè)備.該設(shè)備設(shè)置具有晶體夾持裝置、大直徑焊接波紋管副室結(jié)構(gòu),傳動部件采用精密滾動絲杠、直線運(yùn)動導(dǎo)軌、直流力矩機(jī)等精密傳動裝置,提高了整機(jī)的運(yùn)動穩(wěn)定性.2009年,研究人員優(yōu)化設(shè)計熱區(qū)、生長條件、摻雜濃度,實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和生長速率控制,并在此條件下成功地生長出360 kg,直徑450 mm硅單晶[112].V族元素半導(dǎo)體的熔點(diǎn)附近具有較高的蒸汽壓,因而III-V族化合物通常需要在高壓下進(jìn)行生長,壓力控制成為晶體生長最重要的控制參數(shù).1975年,我國通過設(shè)計熱場和合成系統(tǒng),成功設(shè)計首臺高壓單晶爐并生長了InP半導(dǎo)體單晶.1980年,在第一代單晶爐的基礎(chǔ)上設(shè)計第二代單晶爐,該爐體內(nèi)安裝了兩只機(jī)械手用于安裝磷注入系統(tǒng),在注入原料合成后,可以在熔體上方移開磷注入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)晶體生長,因此可以生長直徑142 mm的InP單晶,1995年,設(shè)計制造了第三代高壓單晶爐,配備了具有穩(wěn)定熔體作用的超導(dǎo)磁場,實(shí)現(xiàn)大尺寸單晶制備[113].在高壓容器中配備了高溫裝備,組成高壓高溫設(shè)備用于生長金剛石等超硬材料,其中按容器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),大致可分為活塞-圓筒式、對頂壓砧-壓缸式、多壓砧式(四面體、六面體等)和滑塊多壓砧式[114,115].

材料結(jié)晶設(shè)備的設(shè)計與發(fā)展需要根據(jù)材料結(jié)晶理論并考慮生長方法的工藝技術(shù)要求,包括改進(jìn)生長室、溫度、運(yùn)動、壓力控制等系統(tǒng),開發(fā)了不同類別的設(shè)備.例如,全液封直拉(full encapsulated Czochralski)單晶爐[18]、氣壓控制直拉(vapor pressure controlled Czochralski)單晶爐[19]、加速坩堝旋轉(zhuǎn)(ACRT-Bridgman)單晶爐[20]等.熱場模擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及發(fā)展,為開發(fā)新型設(shè)備提供了低成本的開發(fā)環(huán)境[21].隨著設(shè)備制造技術(shù)和計算機(jī)自動控制技術(shù)的發(fā)展、對材料性能研究的深入以及產(chǎn)品器件對材料性能要求的進(jìn)一步提高,現(xiàn)代結(jié)晶設(shè)備進(jìn)入成熟期.因此,材料結(jié)晶設(shè)備向數(shù)字化、智能化、自動化發(fā)展.2 材料結(jié)晶的理論進(jìn)展

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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本文編號：3231037