应用同步辐射X射线技术研究熔融法晶体生长固液边界层的微观结构

本课题把同步辐射X射线表面衍射（SXRD）和微束X射线吸收精细结构谱（μ-XAFS）技术拓展到熔融法晶体生长微观机理的研究，通过对多种类晶体生长时的熔体、边界层及晶体进行原位、实时观测，获得生长基元在晶体生长边界层内的结构特点和变化规律，使晶体生长微观机理研究在高温显微激光Raman光谱研究的基础上得到新的实验结果的印证和补充。主要研究内容包括：（1）分别研制适合SXRD和μ-XAFS两种技术原位、实时观测晶体生长的专用微型生长炉；（2）研究SXRD和μ-XAFS技术获得的光谱的解谱方法，认识边界层内晶体生长基元的微观结构特征和变化规律；（3）通过对高温显微激光Raman光谱技术和SXRD、μ-XAFS技术获得的生长基元在边界层内多种微观结构信息的分析比较，加深对熔融法晶体生长微观机理的认识，为建立实际晶体生长理论奠定基础。

本课题以研究熔融法晶体生长微观机理为目标，综合了高温显微Raman光谱、同步辐射SXRD、XAFS等技术在表征高温熔体结构方面的优势，对NaBi(WO4)2、KGd(WO4)2、CsB3O5、LiB3O5、BaBPO4、KNbO3、Bi2ZnOB2O6和Na3VO2B6O11等多种功能晶体生长时的熔体、边界层和晶体进行原位测量，研究了熔体结构基元、晶体生长基元的结构特征以及它们之间的演变规律，也研究一些晶体生长体系的助溶剂作用机理。总结研究结果如下：（1）熔体中的结构基元一般不同于晶体的生长基元，晶体生长基元都具有晶体单胞结构的部分特征。（2）熔体中的结构基元是无序的，边界层中的生长基元具有一定的有序性和取向性，并且离晶体生长界面越近，其有序性和取向性越强。（3）晶体生长边界层是熔体的结构基元向晶体的生长基元转化的过渡层。（4）晶体生长的关键是熔体的结构基元向晶体的生长基元的转化，晶体生长工艺改进的根本途径是对这种转化进行有效调控。（5）助溶剂的助溶作用，除了常规的降低晶体生长温度，减小熔体粘稠度等之外，一个重要的功能是促进边界层中熔体结构基元向晶体生长基元的转化。这些研究将晶体生长微观机理的研究和实际晶体生长工艺的改进有效地联系起来，不仅揭示了晶体生长基元演变的微观过程，而且揭示了许多晶体生长宏观现象的本质，还对晶体生长工艺的改进有一定的指导作用，具有较大的科学意义和实用价值。