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.多尺度材料結晶是相關領域研究人員共同面臨的科學問題.材料結晶模型是以相圖為基礎,確定材料的組成與相關物理化學參數(shù),結合材料結晶理論和生長方法共同構建材料結晶.本文綜述了從成核到生長的主要理論與部分材料結晶生長方法,指出材料結晶研究向著多尺度、多因素、定量化的方向發(fā)展.材料結晶設備向著自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展.材料結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,需要多學科交叉領域的協(xié)同發(fā)展. 

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

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

材料結晶生長方法.歸納了材料結晶典型的生長方法及其方法的改進

1961年,我國研制出了第一臺提拉法材料結晶設備,并成功生長無位錯硅單晶[111].該設備投料量只有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光學高溫計和計算機對直徑信號進行等徑控制,實現(xiàn)單晶直徑125 mm,并采用軟軸提拉裝置,大大降低設備高度.1996年,投料量達到60 kg,拉制單晶直徑為200 mm.該設備上下軸的密封采用流體密封,密封效果好,旋轉(zhuǎn)扭矩小,提高了整機運行的可靠性,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)熔法結晶設備.該設備設置具有晶體夾持裝置、大直徑焊接波紋管副室結構,傳動部件采用精密滾動絲杠、直線運動導軌、直流力矩機等精密傳動裝置,提高了整機的運動穩(wěn)定性.2009年,研究人員優(yōu)化設計熱區(qū)、生長條件、摻雜濃度,實現(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族元素半導體的熔點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,我國通過設計熱場和合成系統(tǒng),成功設計首臺高壓單晶爐并生長了InP半導體單晶.1980年,在第一代單晶爐的基礎上設計第二代單晶爐,該爐體內(nèi)安裝了兩只機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)定熔體作用的超導磁場,實現(xiàn)大尺寸單晶制備[113].在高壓容器中配備了高溫裝備,組成高壓高溫設備用于生長金剛石等超硬材料,其中按容器結構的特點,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].

材料結晶設備的設計與發(fā)展需要根據(jù)材料結晶理論并考慮生長方法的工藝技術要求,包括改進生長室、溫度、運動、壓力控制等系統(tǒng),開發(fā)了不同類別的設備.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.熱場模擬技術的實現(xiàn)及發(fā)展,為開發(fā)新型設備提供了低成本的開發(fā)環(huán)境[21].隨著設備制造技術和計算機自動控制技術的發(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一步提高,現(xiàn)代結晶設備進入成熟期.因此,材料結晶設備向數(shù)字化、智能化、自動化發(fā)展.2 材料結晶的理論進展

【參考文獻】：
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博士論文
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本文編號：3231037