1 1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 辐射探测材料与器件工信部重点实验室, 西安 710072
2 2.首都师范大学 超材料与器件北京市重点实验室, 北京 100048
3 3.中国电子科技集团公司 第四十六研究所, 天津 300220
太赫兹(Terahertz, THz)技术在工业无损检测、科学研究和**领域发挥着越来越重要的作用。作为太赫兹产生和探测最常用的电光晶体材料, ZnTe晶体在生长中依然面临众多挑战。为了制备大尺寸、均匀性好、高性能的ZnTe单晶, 本研究在温度梯度溶液法生长ZnTe晶体过程中引入坩埚旋转加速技术, 制备具有高结晶质量的ZnTe晶体。模拟计算得到不同坩埚旋转速度下生长界面处对流场和溶质分布, 研究了坩埚旋转对晶体生长过程中的固液界面稳定性和晶体内Te夹杂分布的影响规律, 证明坩埚旋转加速技术可以有效地促进熔体流动, 改善溶质传质能力, 稳定溶液法晶体生长的固液界面, 不仅避免出现尾部混合相区, 也减少了ZnTe晶体内Te夹杂相的数量并减小其尺寸。通过进一步优化坩埚旋转参数, 制备出具有较高结晶质量的大尺寸ZnTe晶体(ϕ60 mm)。同时, 得益于晶体良好的均匀性, 晶体对太赫兹的高响应区域超过90%, 边缘效应小, 满足太赫兹成像要求。研究表明，引入坩埚旋转加速技术为制备大尺寸ZnTe基电光晶体提供了新的思路。
ZnTe 坩埚旋转加速技术 固液界面 太赫兹探测 ZnTe accelerated crucible rotation technique solid-liquid interface terahertz detection
1 宁夏大学物理与电子电气工程学院, 银川 750021
2 宁夏大学宁夏光伏材料重点实验室, 银川 750021
大尺寸直拉单晶硅的“增效降本”是当前光伏企业急需解决的问题。本文采用有限元体积法对φ300 mm直拉单晶硅生长过程分别进行稳态和非稳态全局模拟, 研究提高拉晶速率对直拉单晶硅生长过程中的固液界面、点缺陷分布以及生长能耗的影响。结果表明: 拉晶速率提高为1.6 mm/min时固液界面的偏移量为33 mm, 不会影响晶体的稳定生长; 拉晶速率对晶体中点缺陷的分布起决定性作用, 提高拉晶速率不仅能降低自间隙点缺陷的浓度, 而且使晶棒内V/G始终高于临界值; 且拉晶速率对功率消耗影响较大, 提高拉晶速率后晶体生长时间减少了46.4%, 单根晶体生长消耗功率降低了约4.97%。优化和控制适宜的拉晶速率有利于低成本地生长特定点缺陷分布甚至无点缺陷单晶硅, 为提高大尺寸直拉单晶硅质量、降低生产能耗提供一定的理论支持。
直拉单晶硅 有限元体积法 拉晶速率 固液界面 点缺陷 生产能耗 Czochralski monocrystalline silicon finite element volume method pulling rate crystal-melt interface point defect energy consumption
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
随着CeF3晶体在激光和磁光领域应用的持续发展, 大尺寸、高光学质量的CeF3单晶的需求日益急迫, 而CeF3熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF3熔体低导热性引发的生长问题, 探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制, 本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method, HEB)生长大尺寸(ϕ80 mm)CeF3晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明：当发热体长度与坩埚长度相适应时，更有利于构建合理的温度梯度场, 而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF3晶体结晶习性的理解, 炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。
CeF3晶体 热交换坩埚下降法 数值模拟 固液界面 热场优化 CeF3 crystal heat exchanger-Bridgman method numerical simulation solid-liquid interface thermal field optimization
1 中国科学院深圳先进技术研究院多尺度晶体材料研究中心, 深圳 518055
2 山东大学新一代半导体材料研究院晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
“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。
大尺寸晶体 人工晶体 晶体生长模型 生长理论 固-液界面 large-size crystal synthetic crystal crystal growth model theory of growth solid-liquid interface 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1732
五大创新浪潮标志着人类的进步。每一波浪潮都改变了我们的行业和社会，同时也伴随着资源消耗、污染和能源、水资源短缺。相比之下，经过数十亿年的发展，自然界已经形成了以绿色能量和复原力为特征的非凡原则。重点阐述了在水资源、能源和健康工程等方面，以仿生工程为核心的创新浪潮将如何解决我们所面临的巨大挑战。
仿生材料 液滴输运 固液界面 能源 创新 bioinspired materials drop mobility solid liquid interface energy innovation
在晶体生长过程中，固液界面形状与界面附近热流的状态有关。影响固液界面附近热流方向的因素有外部温场分布和材料热导率等。总结了常用的固液界面控制方式，然后采用CGSim温场模拟软件对3种使用不同支撑结构的晶体的生长过程进行了模拟，并对籽晶区以及锥形区内部固液界面的形状进行了对比。结果显示，支撑结构对籽晶区及锥形区内部固液界面的控制影响较大；通过采用合适的支撑结构设计并选取合适材料，同时配合外部温场的调节，能够得到理想的凸形固液界面。
固液界面形状 晶体生长 支撑结构 热流 solid-liquid interface shape crystal growth support structure heat flux
在固液界面控制方面，对Si等成熟半导体的研究较多，而对锑化铟(InSb)材料的研究极少。对InSb晶体等径段生长过程中晶体拉速、转速和坩埚转速对固液界面形状的影响进行了模拟分析以及实际的晶体生长实验。结果表明，这三个生长参数对固液界面形状的平稳控制具有一定的效果。获得了平稳固液界面控制方法，为后续生长更低位错密度、更均匀径向电学参数分布的InSb材料打下了基础。
晶体拉速 晶体转速 坩埚转速 固液界面形状 模拟 InSb InSb crystal pulling speed crystal rotating speed crucible rotating speed solid-liquid interface shape simulation
宁夏大学，宁夏光伏材料重点实验室，银川 750021
定向凝固法制备的多晶硅是目前主要的光伏原材料，制备过程中热场结构和硅熔体对流形态对于生长高质量的多晶硅极为重要，本文利用专业晶体生长软件CGSim 对制备太阳能级多晶硅用真空感应铸锭炉中的石墨坩埚进行改进并进行了数值模拟，分析了不同石墨坩埚厚度的变化对热场、流场、固液界面、硅晶体应力场以及和V/G值的影响。结果表明，当石墨坩埚厚度为20 mm，可获得良好的对流形态、平坦的固液界面、合理的V/G值等，有利于节约多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质，为生产实践中工艺方案优化及缺陷分析等提供重要的理论依据。
多晶硅 固液界面 石墨坩埚 定向凝固 数值模拟 polycrystalline silicon solid-liquid interface graphite crucible directional solidification numerical simulation
结合杰克逊界面理论、分子动力学模拟(MD)和密度泛函理论(DFT)，对硅晶体(100)和(111)面生长过程中固液界面形貌进行研究，包括界面自由能变化、结构变化和生长位置吸附能等。通过杰克逊界面理论计算，发现(100)界面晶相原子和流体相原子在表面各占约50%时吉布斯自由能达到极小值，而(111)界面在表面占比约0%或100%时达到极小值，说明当热力学平衡时，(100)面趋向于粗糙面，(111)面趋向于光滑面; 分子动力学模拟显示，随着生长的进行，初始光滑的固液界面在(100)面上会逐渐转变为粗糙界面，而(111)面则始终保持光滑界面生长; 且在生长过程中，(100)面的生长速率明显高于(111)面，因为(100)面始终为粗糙面生长; DFT计算发现，(100)面上的所有生长位置吸附能接近，可以实现连续生长，(111)面吸附能则存在明显的差值，生长原子需要吸附在台阶处才能进行层状生长。
晶体硅 固液界面形貌 杰克逊界面模型 分子动力学模拟 密度泛函理论 crystalline silicon solid-liquid interface morphology Jackson interface model molecular dynamics simulation density functional theory
西安理工大学，晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程中心，陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室，西安 710048
针对不同超导水平磁场结构的磁力线分布对300 mm直拉硅单晶固液界面影响问题，本文采用一种基于格子Boltzmann方法的耦合热格子模型，解决温度场与速度场耦合建模问题，并对不同结构的超导磁场作用下的晶体生长进行了三维数值模拟。结果表明，采用单磁力线分布的超导磁场结构使得固液界面氧含量降低，但是容易引起熔体内部热分布不均匀；采用双磁力线分布结构能够有效地改善熔体内部沿晶体生长的轴向温度梯度和沿固液界面的径向温度梯度，然而，其对固液界面氧含量抑制作用较小。当晶转、埚转工艺作用时，超导单磁力线水平磁场结构明显优于超导双磁力线水平磁场结构，固液界面形状对称性随磁感应强度的增加而增强。
超导水平磁场结构 直拉硅单晶 固液界面 数值模拟 superconducting transverse magnetic field structur Czochralski monocrystalline silicon solid-liquid interface numerical simulation
