磷酸二氫鉀(KH_2PO_4,KDP)是KDP類晶體家族中的重要成員,它廣泛用于光調(diào)制、變頻、壓電換能器等領(lǐng)域。特別是在強(qiáng)激光系統(tǒng)中,由于只有大口徑、高質(zhì)量的KDP晶體才能滿足單晶器件的應(yīng)用要求(如用于慣性約束聚變中的普克爾盒和諧波產(chǎn)生器等),且其需求量眾多,因此,如何快速地生長出優(yōu)質(zhì)的KDP晶體成為目前研究的熱點(diǎn)。為了縮短晶體生長周期,常用的手段是通過加強(qiáng)晶體附近的對流,改善物質(zhì)輸運(yùn)過程,從而達(dá)到提高晶體生長速率的目的。令人遺憾的是,生長速率的加快也經(jīng)常伴隨著晶面形貌穩(wěn)定性變差、包裹物產(chǎn)生等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降。晶面形貌失穩(wěn)是包裹物等缺陷形成的重要原因,其通常由不利的對流條件直接造成。以目前的晶體生長方法來看,要解決上述問題,只局限在晶體生長的宏觀操作條件(溶液溫度、過飽和度、摻雜以及轉(zhuǎn)動晶體方式等)的改進(jìn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須在深入分析相界面附近對流物質(zhì)輸運(yùn)是如何影響表面形貌和晶體質(zhì)量的基礎(chǔ)上,尋求改善晶體生長界面對流輸運(yùn)條件,探索快速生長高質(zhì)量KDP晶體的新方法。本文利用流體動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等專業(yè)知識,針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法在制備KDP晶體過程所存在的問題,提出了新的晶體生長方法,并開展數(shù)值模擬和實驗研究,主要包括以下內(nèi)容:(1)在分析總結(jié)轉(zhuǎn)晶法中不利的水動力學(xué)條件的基礎(chǔ)上,提出一種名為“溶液噴流法”的新型晶體生長方法。通過數(shù)值模擬,獲得了不同條件下晶體附近溶液流動及表面過飽和度分布。結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法,溶液噴流法中晶體錐面過飽和度得到提高且晶面邊緣與晶面中心的過飽和度差異明顯縮小;噴速越大,錐面時均過飽和度越高;相對于錐面,轉(zhuǎn)速對柱面過飽和度的大小和分布有著較大影響;在晶體逐漸生長變大時,錐面時均過飽和度隨之減小,其標(biāo)準(zhǔn)差顯著增加,不利于晶體生長。另外,討論了自然對流和強(qiáng)制對流在物質(zhì)輸運(yùn)中的作用,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴速大于0.6 m/s時自然對流的作用可以忽略。臺階推移模擬表明,溶液噴流法更利于臺階穩(wěn)定推移,能夠提高表面形貌的穩(wěn)定性,有望提高晶體質(zhì)量。(2)為了充分利用對流的優(yōu)勢,提出了晶體作周期性平移運(yùn)動的新型晶體生長方式,同時開展了新型驅(qū)動機(jī)構(gòu)搭建的工作。詳細(xì)介紹了驅(qū)動機(jī)構(gòu)的硬件架構(gòu)及選型。以MPC08SP運(yùn)動控制卡為核心,借助Visual Basic開發(fā)Windows環(huán)境下的運(yùn)動控制系統(tǒng),并給出了控制軟件操作界面和部分代碼。測試結(jié)果表明,該驅(qū)動機(jī)構(gòu)達(dá)到了設(shè)計要求,為晶體生長實驗的開展創(chuàng)造了條件。(3)測定了KDP晶體的溶解度以及溶液亞穩(wěn)區(qū)寬度。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低,溶液的亞穩(wěn)區(qū)寬度變大;降溫速率越快,亞穩(wěn)區(qū)寬度也越寬。利用二維平移運(yùn)動法開展了不同平移運(yùn)動速度和擺放方式下的KDP晶體生長實驗研究。研究了生長條件對所獲KDP晶體在單晶結(jié)構(gòu)、硬度、介電特性、位錯、熱性能以及激光損傷閾值的影響。實驗結(jié)果表明:運(yùn)動方式的改變并不會影響晶體的結(jié)構(gòu);相比轉(zhuǎn)晶法,二維平移運(yùn)動法所得晶體具有更高的硬度值;低的介電損失和位錯密度則說明二維平移運(yùn)動法生長的晶體具有較少缺陷;轉(zhuǎn)晶法中晶體的熱穩(wěn)定性以及激光損傷閾值低于二維平移運(yùn)動法。此外,不同的平移運(yùn)動速度會對生長晶體的質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)平移運(yùn)動速度為0.04 m/s時,晶體的質(zhì)量最好。通過光學(xué)顯微鏡掃描發(fā)現(xiàn),二維平移運(yùn)動法中晶體表面臺階推移比轉(zhuǎn)晶法更加穩(wěn)定,有利減少缺陷產(chǎn)生的幾率。(4)分別利用三維平移運(yùn)動法和轉(zhuǎn)晶法進(jìn)行了KDP晶體生長實驗,并通過拉曼光譜、透過光譜、錐光干涉與消光比、散射顆粒、位錯以及激光損傷閾值測量的手段研究所得晶體性能。拉曼光譜顯示,三維平移運(yùn)動不會造成晶體結(jié)構(gòu)的扭曲或者變形。三維平移運(yùn)動法所得晶體的透過率明顯高于轉(zhuǎn)晶法,且在基波以及更高諧波處的透過率大部分在84%以上。比較錐光干涉與消光比實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),三維平移運(yùn)動法晶體的光學(xué)均勻性要優(yōu)于轉(zhuǎn)晶法。低的散射顆粒以及位錯密度則說明三維平移運(yùn)動法所得晶體內(nèi)部缺陷較少,質(zhì)量更高。采用三維平移運(yùn)動法生長的晶體的激光損傷閾值相比轉(zhuǎn)晶法提高了約37%,顯著提高了晶體的抗激光損傷能力。(5)設(shè)計并制作了基于平移運(yùn)動的連續(xù)過濾生長系統(tǒng),旨在消除晶體長時間生長過程中溶液產(chǎn)生的雜質(zhì)、微生物以及微晶,防止溶液穩(wěn)定性遭到破壞。重新設(shè)計了生長所需容器以及托盤,并確定了生長溫度與過熱槽溫度的關(guān)系。晶體生長所需降溫量是通過測量晶體尺寸得到的。驗證性實驗也表明,該系統(tǒng)能夠維持溶液的穩(wěn)定性,保證晶體生長的正常進(jìn)行。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O78
【部分圖文】：

圖 1.1 (a) KDP 晶體理想分子結(jié)構(gòu)；(b) KDP 晶體幾何外形Fig. 1.1 (a) Ideal molecular structure of KDP crystal; (b) Geometric shape of KDP crystal① KDP 晶體結(jié)構(gòu)特征KDP 晶體為負(fù)單軸晶，屬于四方晶系，其點(diǎn)群為(D2d 4—2m)，空間群為(D122d Id)。受益于 X 射線和中子衍射技術(shù)的發(fā)展，為人們研究 KDP 晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供方法[3-7]。圖 1.1(a)展示了 KDP 晶體的空間結(jié)構(gòu)。晶體中負(fù)離子配位多面體為O4基團(tuán)，該配位多面體中 P 和 O 之間存在強(qiáng)烈的極化作用（共價鍵），且每一 P 原子被四個 O 原子所包圍，呈現(xiàn)出四面體型。每個 PO4四面體 4 個角上的 O子均與 H 鍵相聯(lián)結(jié)，H 鍵與 c 軸近似垂直。另外，PO4基團(tuán)和 K 原子以離子鍵形式共存，在沿 c 軸方向上 K 原子與 P 原子交替排列的，并且 K 原子是與相鄰 8 個 O 原子相連的�？梢园l(fā)現(xiàn)，KDP 晶體中同時混有離子鍵、氫鍵與共價鍵，是其在水溶液中主要電離為 K+和(H2PO4)-離子，因此也被認(rèn)為是離子型晶體[8]。對于 KDP 晶體理想外形，如圖 1.1(b)，解釋比較成功是 Hartman 和 Perdok 提的周期性鍵鏈理論，即 PBC 理論[9-12]。該理論認(rèn)為界面上的生長速率跟鍵合能

法晶體生長裝置。1-托盤；2-KDP 晶體；3-轉(zhuǎn)動密封裝置；器；6-溫控器；7-溫度計；8-育晶器；9-水浴ing apparatus of KDP crystal used by traditional temperature-loDP crystal; 3- rotary seal device; 4-heater; 5- stirrer; 6-temperathermometer; 8-crystallizer; 9-water bath育 KDP 單晶的一種最常用的方法，其利用晶體的降溫的方式使溶液處于過飽和狀態(tài)，從而使籽晶不降溫法生長裝置圖，這一種常用的 Holden 型育晶晶體生長實驗開始時，只需將 z 切晶片固定在托盤之后在轉(zhuǎn)動裝置的帶動下作正反轉(zhuǎn)運(yùn)動（加強(qiáng)對流，在晶體生長的整個期間，需要連續(xù)不斷地對水浴的過飽和度。傳統(tǒng)降溫法中，由于晶體是在較低過的生長速度十分緩慢（低過飽和度下，由于雜質(zhì)阻每天只有 1-2 mm/day，因此要達(dá)到 ICF 所需晶體尺

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文控制，但是由于電極長時間與溶液接觸，則很有可能發(fā)生電測量精度，甚至造成溶液污染，所以并未得到推廣。中國國輝[56]則是通過光學(xué)測高儀得到溶液中晶體的生長尺寸，密度，推算出晶體的質(zhì)量，然后依據(jù)溶解度曲線和過飽和量以維持過飽和度恒定。此種方法比較簡單，也是目前常過飽和度上存在時間上的滯后性。Kitamura 等人[57]以及本傳感器實時測量晶體的生長質(zhì)量變化量，并以此為依據(jù)調(diào)恒定過飽和度下穩(wěn)定生長。循環(huán)流動法Temperature controllerUV lamp

【參考文獻(xiàn)】

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1 周川;李明偉;尹華偉;宋潔;胡志濤;王邦國;;轉(zhuǎn)晶法KDP單晶生長晶面溶質(zhì)濃度場模擬[J];人工晶體學(xué)報;2015年02期

2 劉光霞;王圣來;顧慶天;丁建旭;朱勝軍;劉琳;王端良;景曉華;李偉東;黃萍萍;;轉(zhuǎn)速對快速法生長KDP晶體影響的實驗與數(shù)值模擬研究[J];功能材料;2014年24期

3 王邦國;李明偉;周川;尹華偉;;三維運(yùn)動下KDP晶體生長過程中的應(yīng)力分析[J];人工晶體學(xué)報;2014年12期

4 孫云;王圣來;顧慶天;丁建旭;劉光霞;劉文潔;朱勝軍;;快速生長KDP晶體的顯微硬度測試研究[J];功能材料;2011年10期

5 吳偉軍;李明偉;程e

本文編號：2820996