1 青岛理工大学山东增材制造工程技术研究中心，山东 青岛 266520
2 西北工业大学分析测试中心，陕西 西安 710072
3 西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
4 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
研究了DD6镍基单晶高温合金在不同功率下重熔区内部杂晶的形成机制。碳化物的形成导致固液界面塌陷，进而诱导杂晶的形成；熔池顶部杂晶的产生主要与温度梯度、固液界面的迁移速率有关。激光功率升高导致温度梯度降低，进而诱导柱状晶向等轴晶转变（CET）；转向枝晶交汇处杂晶的产生是由枝晶交汇处的温度梯度比其他地方小以及温度梯度方向改变引起的。热应力数值模拟结果表明：低激光功率下的热输入可以有效提高温度梯度并有效降低残余应力水平，有利于抑制单晶修复过程中杂晶的形成。该研究可为单晶修复过程中杂晶的抑制提供理论和实验支撑。
镍基单晶高温合金 杂晶 单晶修复 激光重熔 中国激光
2024, 51(10): 1002320
吉林大学 电子科学与工程学院， 集成光电子学国家重点实验室， 吉林 长春 130012
近年来，杂化钙钛矿半导体材料由于其带隙可调、吸收系数高、载流子迁移率高、成本低廉等诸多优点，在光电器件领域备受青睐，如太阳能电池、电致发光器件、光电探测器等。其中，钙钛矿单晶薄膜因其无晶界、杂质和缺陷含量低等特点，展现出更为优异的光学、电学特性，成为制备高性能光电器件的理想材料体系。然而，钙钛矿单晶薄膜常采用空间限域法直接生长在空穴传输层上，不可避免地将导致界面缺陷和载流子层间输运等问题，严重制约了钙钛矿单晶薄膜光电探测器的性能。为此，本文通过引入模板剥离法工艺技术，在钙钛矿单晶薄膜两侧分别蒸镀功能层材料，制备了结构为Cu/BCP/C60/MAPbBr3/MoO3/Ag的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。基于模板剥离法，两侧蒸镀的功能层与钙钛矿单晶薄膜接触紧密，将有效改善载流子的注入和传输；同时，优化的器件结构以及考虑能带匹配等因素可实现高灵敏、响应快速的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。改进后器件的开关比高达3.1 × 103，响应度可达7.15 A/W，探测率为5.39 × 1012 Jones，外量子效率达到1794%。该工作为进一步改善和提升钙钛矿单晶薄膜光电探测器的探测性能提供了一种可行性技术方案。
杂化钙钛矿半导体材料 钙钛矿单晶薄膜 模板剥离法 光电探测器 hybrid perovskite semiconductors perovskite single-crystalline thin-films template stripping method photodetectors
1 江苏师范大学江苏省先进激光材料与器件重点实验室，江苏 徐州 221116
2 山东大学光学高等研究中心，山东 青岛 266237
3 同济大学高等研究院物理科学与工程学院，上海 200092
4 江苏省先进激光材料与器件国际合作联合实验室，江苏 徐州 221116
单晶光纤（SCF）具有长径比高、比表面积大、散热好等优势，近年来成为高功率激光振荡器及放大器的选择材料之一。采用光线追迹法，模拟分析了泵浦光在Tm∶YAG SCF中的传播模式及强度分布情况。采用1.7 μm激光二极管（LD）作为泵浦源进行共振泵浦，将模式匹配和泵浦光导波传输结构相结合，实现了Tm∶YAG SCF连续激光运转，在~2.02 μm处获得了7.85 W的功率输出，对应入射泵浦功率的斜效率为46.3%。
激光器 固体激光器 共振泵浦 Tm∶YAG单晶光纤 泵浦导波
1 1.山东大学 晶体材料国家重点实验室, 新一代半导体材料研究院，济南 250100
2 2.广州南砂晶圆半导体技术有限公司, 广州 511458
碳化硅具有优异的物理化学性能, 在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通信等领域具有广泛应用前景。8英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底在降低器件单位成本、增加产能供应方面具有巨大的潜力, 成为行业重要的技术发展方向。近期山东大学与广州南砂晶圆半导体技术有限公司在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破, 使用物理气相传输法(Physical vapor transport, PVT)制备了低位错密度8英寸导电型4H-SiC单晶衬底, 其中螺位错(Threading screw dislocation, TSD)密度为0.55 cm-2, 基平面位错(Basal plane dislocation, BPD)密度为202 cm-2。
4H-SiC 8英寸 低位错密度 单晶衬底 4H-SiC 8-inch low dislocation density single crystal substrate
1 1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150000
2 2.深圳市恒运昌真空技术有限公司, 深圳 518000
微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)技术是制备大尺寸、高品质单晶金刚石的理想途径, 然而MPCVD单晶金刚石生长过程的复杂性与晶体生长需求的多样性难以对生长过程进行优化设计。针对此问题, 本研究提出了一种基于等离子体诊断技术的MPCVD单晶金刚石生长的系统性设计方法, 采用等离子体成像和光谱分析对微波等离子体进行量化诊断。并利用自主研发的MPCVD设备, 研究了腔室压力-微波功率-等离子体性状-衬底温度间的物理耦合特性和量化关系, 得到了不同参数下的等离子体有效长轴尺寸、基团浓度和分布、能量密度等数据, 以实验观测数据为基础拟合得到了单晶金刚石生长工艺图谱。根据此工艺图谱, 可以通过选择生长温度和所需生长面积来选取工艺参数, 且通过实验验证, 表明此图谱具有较强的指导意义, 预测参数误差小于5%。同时根据该图谱的预测, 研究了不同等离子体能量密度下的单晶金刚石生长情况, 在较低功率下(2600 W)也得到了较高的能量密度(148.5 W/cm3), 含碳前驱体的浓度也高于其他工艺条件, 因而获得了较高的生长速率(8.9 μm/h)。此套方法体系可以针对不同单晶金刚石生长需求进行有效的等离子体调控和工艺优化。
MPCVD 单晶金刚石生长 等离子体 生长参数优化 MPCVD single crystal diamond growth plasma optimization of growth parameters 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230347
光子学报
2023, 52(12): 1214001
锑化铟(InSb)焦平面探测器是中波红外探测领域应用广泛的一种探测器。作为制备探测器的基础，InSb晶体材料的质量和性能显得尤为重要。近年来InSb晶体材料在向高质量大尺寸方向发展。通过多举措坩埚设计和温场条件设计，采用直拉法生长了直径大于135 mm的InSb单晶。测试结果表明，5 in晶片的位错腐蚀坑密度小于50 cm-2，双晶衍射峰的半峰宽为832 arcsec，晶体具有相当好的完整性。通过优化生长工艺参数，晶体生长过程中具有较为平坦的固液界面，表现出良好的径向电学均匀性。这为制备低成本和超大规模InSb红外探测器阵列奠定了基础。
锑化铟 单晶 位错密度 电学均匀性 InSb single crystal dislocation density electrical uniformity0
1 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081 钢铁研究总院有限公司, 北京 100081
3 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081 北京科技大学国家材料服役安全科学中心, 北京 100083
4 钢铁研究总院高温材料研究所, 北京 100081
镍基单晶高温合金是含有10~15种元素的复杂合金, 具备优良的高温强度和耐腐蚀性。 目前, 先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。 叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力, 是工况条件最为恶劣的航空零件, 被誉为“工业王冠上的明珠”, 研制发展更耐高温的叶片材料以及改进叶片的冷却技术是提高涡轮进口温度的关键手段。 新一代的单晶叶片中添加大量难熔元素（如Ta, W和Re等）用来提高承温能力, 但这些元素在凝固过程中存在严重的枝晶偏析, 导致组织内成分分布不均匀。 通常采用复杂的多级热处理来溶解非平衡组织, 减小偏析。 枝晶间成分的详细表征对优化热处理工艺和叶片设计具有重要的意义。 微束X射线荧光光谱是一种无损检测技术, 制样简单, 无需镀导电膜, 可对样品进行多元素同时检测, 多用于生物和考古领域, 定量表征成分复杂的金属材料存在一定困难, 应用案例较少。 单晶高温合金具有特殊的十字枝晶组织, 尺寸约为几百微米, 微束X射线荧光光谱可以满足单晶叶片枝晶成分的详细表征和大区域面积的成分分布定量统计需求。 本实验基于微束X射线荧光光谱技术, 建立了镍基单晶高温合金枝晶成分定量统计分布表征方法, 并应用于新型单晶涡轮叶片的全域枝晶组织成分定量分布表征, 探讨了单晶涡轮叶片叶冠到榫头的成分演变规律, 获得了不同部位主元素的一次偏析比和二次偏析比。 结果表明, Re, W和Ta元素偏析严重, 随着叶片截面尺寸的增加及与冷却铜盘距离的增加, 叶片叶冠到榫头各元素的偏析程度降低; Cr, Co和Mo元素偏析比接近于1, 偏析变化不明显, 分布较均匀。 通过对单晶叶片枝晶成分的定量统计解析, 获得了单晶叶片成分的演变规律, 为叶片的设计和凝固工艺的改进提供数据支撑。
单晶高温合金 涡轮叶片 微束X射线荧光光谱 枝晶偏析 成分分布 Superalloy Turbine blades Microbeam X-Ray fluorescence spectrum Dendrite segregation Composition distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2112
