氧化物晶体生长界面本征非稳态效应研究

The intrinsic morphological instability of the growing interface, which is in close correlation with coupled interfacial transport and interfacial dynamics, prevents the achievement of high-quality crystals with free defect. In this project, the intrinsic morphological instability will be quantitatively studied for the growth of several typical oxide crystals, by theoretical coupled experimental methods. In theory, the predominant equations for crystal growth is simplified and resolved. Then two typical dimensionless parameters are raised to characterize the intrinsic properties. They are peclet number Pk, characterizing the interfacial property perpendicular to the interface, and peclet number Ps characterizing the interfacial property parallel to the interface, respectively. In experiments, the evolution of interfacial morphology will be investigated by in situ observation method. The critical size of crystal beyond which the flat growing interface will become unstable, as well as the critical wave angle for deformation of vicinal interface will be sdudied quantitatively by both theory and experiment. Anyway, a criterion will be put forward to indentify the ability to obtain high quality crystals, based on the investigation of intrinsic property.

界面边界层内的质量扩散及界面动力学效应是晶体生长的本征特性，它反映了晶体结晶的内在规律，与之相关的界面形态非稳定性制约了晶体的结构完整性，本项目选择几种典型氧化物作为研究对象，通过理论计算并结合实验数据对本征非稳定性进行定量研究。理论上对晶体生长的控制方程进行简化和解析，给出表征界面本征特性的二个无量纲参量表达式：垂直于界面的动力学Peclet数Pk和台阶运动的Peclet数Ps，它们是材料生长固有物性的函数。实验上，利用微分干涉显微镜实时观察手段，结合原子力显微镜原位观察技术，定量研究高温晶体生长界面动力学、界面输运、台阶高度的各向异性特征，研究不同Peclet数值材料体系界面形貌由稳态向非稳态演变的过程，结合理论研究的结果，分析平坦界面保持稳定的临界尺寸、界面为邻位面时形貌产生扭曲的临界波动角，针对不同材料体系的本征特性，给出生长晶体完整性难易程度的定量判据。

晶体生长的界面动力学及输运效应反映了晶体结晶的内在规律，与之相关的界面形态本征非稳定性决定了晶体的结构完整性及性能，但是关于高温熔体结晶时界面形态非稳定性的研究非常匮乏。本项目利用高温光学显微实时观察的技术手段，对多种类型高温氧化物熔体结晶过程的界面形态演化进行了实时研究，分析了界面动力学、界面输运效应、及其耦合作用，探讨了其对界面形态的影响规律，在本征特性研究结果的指导下，实验上成功生长出了多种大尺寸的氧化物单晶体。得到如下成果或结论：.（1）提出界面动力学效应和界面输运效应的耦合作用可以用无量纲动力学Peclet数Pek=d/(D/d+U)来进行表征，它表示了两种作用的权重比，在界面边界层存在条件下，该参量可以忽略对流输运的贡献。（2）研究发现，在Pek~1量级条件下，即界面动力学效应与输运效应权重比接近时，两种作用共同控制晶体生长过程，晶体生长界面较为平坦；权重比远大于１时，输运效应起主导作用，生长界面易呈现粗糙面生长方式。（3）揭示了熔体中气泡与生长界面之间存在三种可能的作用机制模型，分别对应于生长后的晶体内部球状、椭球状、帽子状气相包裹体缺陷，其作用模型由界面尺寸与气泡尺寸的比值、界面移动速度共同决定。（4）温度对界面本征特性的影响主要包括两个方面，一是温度的增加会引起对流效应的增强，从而引起界面边界层厚度的降低；二是随过冷度的增加，晶体生长微观机制会发生由二维成核生长机制向粗糙面生长机制转变，从晶体界面形态来看，呈现方形晶体形态向棒状晶体形态的转变。（5）本项目研究发现晶体生长尺寸大于某临界值后必然会发生界面形态非稳定性形变，这是其本征特性，是由熔体的动力学系数、粘度、扩散系数、表面张力等固有参量决定的，鉴于这一发现，提出了转向生长技术，该方法将大尺寸晶体生长的难题转化为较小尺寸晶体的生长，利用该技术成功生长出了多种大尺寸的单晶体材料，如硅酸铋、硼酸锂、铌酸钾铅、铱铝酸镥等，并在国际上首次发现3mol%以上浓度稀土离子掺杂可以抑制组分偏析，有利于晶体生长。