含有易挥发元素的Eu2PdSi3单晶生长及凝固后期沉淀相析出机制研究

Single crystal growth of Eu2PdSi3 as a new type of disk storage and transducer material,is quite difficult mainly due to the high vapor pressure of the volatile element and the oriented precipitation.Based on the Tb-Si pseudo-binary phase diagram, composition shift of the feed rod method are employed using high pressure floating zone technique in this project.Both constitutional supercooling in the solid/liquid interface caused by the losing of volatile element and precipitation problem caused by the crystal composition deviation are solved and the relationship between composition shift and precipitation will be established. According to the defect chemistry theory, point defect model will be built which can help further unstood the relationship between high pressure and crystal composition deviation, and the point defect equilibrium between elements with different vapor pressure will be discussed.The kinetics mechanisms of oriented precipitation will be studied using diffution-interface phase field model and verified by experimental results. The feed rod composition shift method in this project supplies new conception of crystal growth containing volatile element and offers scientific basis for setting parameters during crystal growth.

新型磁盘存储以及传感器材料Eu2PdSi3单晶生长是一个难点，主要原因是由于Eu元素具备低熔点、高蒸汽压的特点以及晶体基体内存在定向沉淀相。本申请项目拟采用高压光辐射悬浮区技术，结合伪二元相图，从热力学角度出发调整给料棒成分制备Eu2PdSi3单晶，同时解决由于元素挥发导致的结晶界面前沿成分过冷问题以及晶体成分偏离化学计量比时产生的脱溶沉淀问题，建立成分调整和晶体完整性之间的相互关系；应用缺陷化学理论建立独立点缺陷模型，探究不同蒸汽压元素点缺陷间存在的平衡关系，获得保护气体压强与晶体成分偏离化学配比程度的关系；同时探究EuSi定向脱溶沉淀相的动力学析出机制，建立基于扩散理论的宏观相场模型，并与实验结果相验证。本项目提出的微调成分晶体生长方法，将为含有挥发元素的晶体生长提供新的思路，为晶体生长各项参数制定提供科学依据。

具有六方AlB2型晶格结构的新型半导体元器件材料R2PdSi3 (R为稀土元素)，由于由于稀土元素4f层独特的原子排布以及稀土与过渡族金属原子间复杂的相互作用，展示出优良的物理特性，被誉为下一代磁盘存储及传感器材料。稀土元素在晶体生长过程中的高温环境下（>1600 K）易挥发，而且随着生长时间的增长，元素的挥发性会增强，在单晶制备的过程中晶体成分容易偏离化学计量比，晶体完整性很难控制。本文采用高压光辐射加热悬浮区熔技术制备了Eu2PdSi3、Gd2PdSi3 以及Tb2PdSi3单晶，结合伪二元相图采用给料棒成分调整法有效解决了元素挥发导致的晶体成分偏离化学计量比问题。采用标准化学成分配比制备给料棒，制备出的Eu2PdSi3晶体为胞状晶，分析是由于熔区成分发生变化，发生成分过冷导致胞状组织；采用给料棒成分调整法，将给料棒成分调整为Eu35Pd15Si50，成功生长出大块Eu2PdSi3晶体。对晶体生长过程中给料棒成分、气体压强、生长速度、熔区形状以及旋转速度等因素产生的影响进行了系统研究；同时对制备单晶过程中出现的不同类型沉淀进行了总结，得出四种不同类型沉淀及解决方法；本研究将合金凝固的KKS模型与取向场相结合的办法，模拟了Eu2PdSi3单晶在定向凝固过程中晶粒竞争生长的现象，探究了生长速度、界面能和晶粒取向对晶粒竞争生长的影响，建立了可以同时反映固/固界面和固/液界面演化化的定量相场模型。这一研究顺利开展，为含有易挥发元素的晶体生长提供新的思路和科学依据，同时采用相场法建立模型模拟晶粒竞争生长过程，丰富了晶体生长理论，具有十分重要的意义。