“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一, 揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上, 晶体生长可以是有势垒的热激活过程, 也可以是无势垒的超快结晶过程, 这与具体的体系以及晶面有关。从界面属性角度来看, 光滑界面是以台阶拓展的方式生长; 粗糙界面没有明显的固-液分层, 通过局部原子固化进行生长。本文从晶体生长理论模型、生长技术及其应用实例, 以及分子动力学方法在晶体生长中的应用等方面探讨了近些年大尺寸晶体快速生长理论和技术的研究进展。目前有多种方法制备大尺寸晶体, 但普遍存在制备的晶体质量差和性能不稳定等问题。需要突破对晶体生长微观机制上的认识, 建立机制与温度、流速等外界因素的内在联系。而利用机器学习力场以及分子动力学模拟方法, 建立固-液界面, 模拟晶体生长, 将是探究晶体生长微观机制的一种有效方式。

晶体美丽有用, 构造和谐有序。光电功能晶体可实现光能和电能的相互转化, 在微电子、光电子、通信、航天及现代**技术等高科技领域占有重要地位。人类认识晶体, 源于天然矿物。从矿物晶体的发现到光电功能晶体的人工生长和应用经历了漫长的发展, 晶体种类、晶体质量、生长理论、生长技术以及应用等方面均取得了较大进展。本文简述了从矿物宝石到晶体学发展的历程, 介绍了压电晶体、电光晶体、激光晶体、非线性光学晶体和闪烁晶体等几类光电功能晶体发展历程及晶体生长研究的进展, 展望了未来光电功能晶体的发展趋势。

随着高重频辐射成像技术的发展和时间飞行技术在核医学成像领域的应 用, 超快闪烁晶体的重要性愈加凸显, 已经成为闪烁晶体研究领域的热点方向。目前获得应用的超快闪烁晶体主要有三类: 芯带价带发光闪烁晶体, 直接带隙半导体, 发光有强热淬灭闪烁晶体。这些闪烁晶体具有 小于 3 ns 的闪烁衰减时间, 已经在高重频辐射成像、高能物理实验以及核物理实验等领域获得应用。但是这些晶体光产额较低、能量分辨率较差, 有些晶体闪烁发光还有慢分量, 这些缺点制约了它们在诸如正电子发射断层扫描等领域的应用。因此需要在发光机制及晶体制备等方面进行创新, 以制备出满足新的应用需求的超快闪烁晶体。

随着电子工业与能源科学的快速发展，热管理成为微电子、热逻辑器件和热电技术等多个领域关注的重要课题。以半导体产业为例，传统芯片散热技术难以满足功率密度日益增大的芯片散热需求，已经成为限制芯片集成度进一步提高的瓶颈。因此，热输运的研究重点从宏观尺度延伸至微观尺度，并要求人们对热输运机制有更深入理解。本文从热声子的扩散输运、弹道输运等微观机制出发，探讨了材料微结构与热输运之间的关系。实验和理论表明，晶体中各种微结构对热输运过程有着重要的调控作用。本文重点讨论了薄膜体系中的点缺陷与量子点、超晶格、异质结构界面等对热输运的调控作用，并对其中的热输运机制进行了简要分析。尽管各种复杂的器件结构对高效的热管理构成了挑战，但人工微结构也为热输运调控提供了新的机遇。

水热法合成水晶与天然水晶的物理化学性质相似、内含物少见,常规检测方法无法鉴别。本论文采用德国布鲁克(Bruker)TENSOR27红外光谱仪测试分析,发现合成无色水晶以3585 cm-1谱带为特征; 烟水晶特征吸收峰在3300~3000 cm-1附近,而合成烟水晶位于3600~3300 cm-1附近; 合成黄水晶仅有5200 cm-1吸收峰,黄水晶不具有此特征吸收; 紫水晶具有5228 cm-1、4450 cm-1特征谱带,合成紫水晶在4000~3000 cm-1内有特征吸收峰;合成绿水晶仅有5200 cm-1吸收峰。

水热法合成水晶是依据天然水晶的物理化学性质并模拟其形成环境制得,常规检测方法无法鉴别。本论文采用法国(HORIBA Jobin Yvon)OLYMPUS BX41激光拉曼仪测试分析,并对天然水晶与水热法合成水晶拉曼谱466 cm-1谱峰进行高斯线性拟合,发现水晶半高宽均大于6.5 cm-1,而合成水晶半高宽均小于6.5 cm-1。拉曼光谱半高宽值的差异可对天然水晶和水热法合成水晶的鉴别提供依据。

晶体材料的合成中, 通过特定掺杂可以提高晶体质量、 改善晶体性能, 而掺杂元素的种类、 浓度和分布对于人工晶体结构、 性能等也有非常重要的影响。 因此, 准确测定晶体中各种元素的含量, 对于改进晶体材料配方、 生长工艺以及质量控制具有重要指导意义。 目前, 人工晶体中掺杂元素表征的主要方法包括原子光谱法, X射线荧光光谱法, 无机质谱法和电子探针显微分析法等, 对各种方法的原理、 特点与局限性进行了综合论述, 由于每种方法都有其各自的优缺点和适用范围, 可根据不同的分析需求选择合适的方法以提高分析的效率与准确性。 对人工晶体中掺杂元素分析方法的发展趋势进行了展望。

采用中频感应加热提拉法(Cz)生长晶体,研究了直径φ80 mm Nd:YAG晶体生长的设备条件、温场装置和生长参量,对长晶过程中出现的放肩和转肩阶段晶体开裂原因进行了分析,并采取了相应的改进措施,获得了直径φ80 mm等径长度200mm质量良好的Nd:YAG晶体.

以硝酸铀、氟化钙和氟化铅为原料,采用导向温度梯度法(TGT)成功地生长了可用作1.54μm被动Q开关的U:CaF2晶体.通过ICP-MS测量晶体中不同部位U的含量,测得U在CaF2中的分凝系数等于0.53.通过改变原料配比生长了多种价态的U:CaF2晶体.结果表明PbF2可以调节U的价态:无PbF2的条件下生长的晶体为U4+:CaF2;加入PbF2生长的晶体主体上是U3+:CaF2,靠近石墨坩埚的晶体外层被进一步还原为U2+:CaF2.

采用熔体提拉法生长大尺寸Nd:YLF晶体.通过大量实验,建立了合理的温场和生长工艺.在晶体生长的全过程中.有效地防止了水和氧的污染.生长出直径φ25 mm～φ30 mm,等径长度为100mm～120 mm的Nd:YLF晶体毛坯,选切出φ10mm×100mm的Nd:YLF激光棒.晶体光学均匀性较好,无裂纹、气泡和夹杂物.