光学级金刚石膜的快速生长一直是微波化学气相沉积金刚石研究领域的热点和难点之一，通常对于大尺寸金刚石膜的生长速率和光学质量不可兼得。采用正交实验方法，优化光学级金刚石膜的工艺参数，最终在高功率、高甲烷同时辅助氧气刻蚀条件下，实现了光学级金刚石材料的快速生长，其生长速率为3.1 μm/h，可见光波段内透过率最高为70.9%，10.6 μm处红外透过率达到68.9%。等离子体诊断结果表明，高质量金刚石的快速生长主要由于高功率密度有助于原子H的激发和CH4的分解，加入氧气也有助于CH4的分解，同时对非金刚石相具有刻蚀作用，从而实现了高质量金刚石膜的快速沉积。
光学级金刚石膜 正交实验法 高功率密度 高生长速率 氧气 光学学报
2023, 43(19): 1931001
1 1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150000
2 2.湖北碳六科技有限公司, 宜昌 443000
单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料, 在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)单晶金刚石生长中, 如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一, 而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中, 首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic, MHD)模型仿真计算, 优化设计了特殊的等离子体聚集装置; 随后基于模拟结果进行生长实验, 采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究, 制备了单晶金刚石生长样品; 并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示, 聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍; 生长实验结果显示, 在常规的微波功率(3500 W)、生长气压(18 kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm3)的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响, 但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌, 并对晶体质量产生影响。采用这种方法, 成功制备了高速率(97.5 μm/h)单晶金刚石。不同于通过增大生长气压来获得高能量密度的途径, 本研究在常规的生长气压和微波功率下也可以生长高能量密度单晶金刚石。
MPCVD单晶金刚石生长 高能量密度 高生长速率 等离子体仿真 MPCVD single crystal diamond growth high energy density high growth rate plasma simulation
1 成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610073
2 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
3 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，江苏 南京 210016
激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明：水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能，表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa)；在高温拉伸试验中，不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100 ℃升至175 ℃)均呈下降趋势，而延伸率均逐渐升高，且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历107循环周次的中值疲劳强度为151.25 MPa，疲劳寿命约为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值为0.981 MPa·m1/2。
激光技术 激光增材制造 激光粉末床熔融 高温力学性能 疲劳强度 疲劳裂纹扩展速率
长春理工大学光电信息学院光电科学分院, 吉林 长春130022
在利用分子束外延(MBE)技术生长GaSb薄膜材料过程中,利用反射高能电子衍射仪(RHEED)实现了GaSb薄膜制备的实时监控。利用RHEED衍射振荡图样,对衬底表面的脱氧化层和生长过程进行分析和研究,得到了生长参数与衍射图样变化之间的关系,确定了衬底脱氧化层的温度;通过计算生长速率,实现了源温度、束流比和生长温度的优化;利用双晶X射线衍射(XRD)测试技术对GaSb外延薄膜层的表面生长质量进行初步表征和分析,证明了实验生长的薄膜材料基本可满足器件制备的要求,为下一步采用MBE制备量子阱及超晶格结构提供了实验依据。
薄膜 反射高能电子衍射 GaSb 分子束外延 生长速率 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 231603
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一。然而其较低的生长速率(～10 μm/h)以及较高的缺陷密度(103~107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素, 经过国内外研究团队数十年的不懈努力, 在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果。但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题, 才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值。
MPCVD单晶金刚石 高速率 高品质 MPCVD single crystal diamond high growth rate high growth quality
1 浙江晶盛机电股份有限公司，绍兴 312300
2 内蒙古中环领先半导体材料有限公司，呼和浩特 010070
作为集成电路制备的衬底材料，对硅单晶的均匀性以及微缺陷的尺寸、密度要求极高。传统直拉法生长硅单晶过程中，通过拉速变化控制晶体直径，因此拉速始终处于波动状态。恒定拉速对晶体均匀性及缺陷密度、尺寸的影响研究较少。本研究实现了在35±0.7 mm/h的拉速范围内生长出直径300 mm硅单晶，对晶体片间和片内电阻率分布以及FPD缺陷分布进行了检测，结果显示，在更小拉速波动阶段，晶体的电阻率均匀性得到改善，FPD缺陷密度降低。
硅单晶 直拉法 提拉速度 silicon single crystal Czochralski method growth rate
南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心, 江西 南昌 330096
利用MOCVD技术在图形化Si(111)衬底上生长了InGaN/GaN绿光LED外延材料。在GaN量子垒的生长过程中, 保持NH3流量不变, 通过调节三乙基镓(TEGa)源的流量来改变垒生长速率, 研究了量子垒生长速率对LED性能的影响。使用二次离子质谱仪(SIMS)和荧光显微镜(FLM)分别对量子阱的阱垒界面及晶体质量进行了表征, 使用电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。实验结果表明, 垒慢速生长, 在整个测试电流密度范围内, 外量子效率(EQE)明显提升。我们认为, 小电流密度下, EQE的提升归结为量子阱晶体质量的改善; 而大电流密度下, EQE的提升则归结为阱垒界面陡峭程度的提升。
绿光LED 量子垒 生长速率 外量子效率 green LED quantum barrier growth rate external quantum efficiency(EQE)
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
采用激光诱导炽光和激光诱导荧光技术研究了燃料种类对碳烟演变过程的影响。以CH4、C2H4、C3H8的扩散火焰为研究对象,测量了碳烟的体积分数、粒径、颗粒数浓度以及多环芳烃相对浓度的二维分布。结果表明: CH4、C2H4、C3H8火焰的碳转化因子分别为0.0058、0.144、0.043;碳烟颗粒的平均粒径为9.2,20.8,14.7 nm,对应的颗粒数浓度分别为6.9×10
21,8.7×10
21,7.8×10
21 m
-3;对于含有较多碳原子或不饱和键的燃料,碳烟和环芳烃的生成演变过程更为迅速;比表面增长速率和生长时间的综合变化导致C2H4火焰中碳烟颗粒的粒径最大,C3H8次之,CH4最小。
光谱学 燃烧诊断 激光诱导炽光 碳烟 激光诱导荧光 多环芳烃 增长速率
厦门乾照光电股份有限公司, 福建 厦门 361101
对采用多级变速法生长AlGaAs电流扩展层的850nm红外发光二极管进行了研究。研究发现, 采用多级变速法生长n型Al0.25Ga0.75As电流扩展层有助于改善外延层表面形貌和后续外延层的晶体质量, 从而减小850nm红外发光二极管的漏电流及串联电阻。此外, 采用多级变速法生长n型Al0.25Ga0.75As电流扩展层还可以避免在多量子阱(MQW)有源区中形成非辐射复合中心, 从而提高850nm红外发光二极管的亮度和寿命。
多级变速法 电流扩展层 发光二极管 金属有机化学气相外延 multi-step variable growth rate method current-spreading layer LED MOVPE
1 江苏理工学院材料工程学院, 江苏 常州 213001
2 常州轻工职业技术学院机械工程与技术学院, 江苏 常州 213164
通过疲劳裂纹扩展实验，研究了激光冲击处理对TC4修复件疲劳裂纹扩展速率的影响，对比分析了激光冲击处理前后TC4修复件的表层残余应力、表面粗糙度和断口形貌的变化。结果表明，TC4修复件的激光修复区由β晶粒和沿晶界分布的α相组成，热影响区由等轴α晶粒和β转变组织组成。激光冲击处理TC4修复件物相的衍射峰半峰全宽较大，其表层的残余应力为压应力，表面的粗糙度增大。通过修正的七点递增多项式拟合法，获得了不同修复件的裂纹扩展速率方程。激光冲击TC4修复件的疲劳裂纹扩展速率小于未激光冲击的。
激光技术 激光熔覆修复 激光冲击处理 TC4钛合金 残余应力 裂纹扩展速率 激光与光电子学进展
2018, 55(7): 071405
