掺镓氧化锌晶体光学浮区法生长及其电学、光学性质调控

In this project, a new technique for the growth of GZO crystal by traveling solvent floating-zone method will be proposed and researched. Based on this, Ga doping as well as laser irradiation will be adopted to modulate the electrical and optical properties of GZO crystal. At first, the temperature field of optical floating zone will be analyzed and designed to obtain the great longitudinal temperature gradient and uniform transversal temperature field w. Then, combined the cosolvent technique and optical floating zone technique, more than 5 kinds of GZO crystals with large size will be prepared by choosing the appropriated cosolvent and the growth parameters. Moreover, the mechanism of electrical and optical properties modulation by Ga doping for GZO crystal will be investigated on the basis of composition-structure-property relationship. Finally, the effect of laser irradiation on the further modulation of electrical and optical properties for GZO crystal will be explored. The results of this project will offer the technique foundation with independent intellectual property rights in the fields of best knowledge of the essential physical property, increase of the electrical and optical property of GZO film, and the discovery of new ultrafast decay scintillation crystal. With scientific references and patents retrieval, there have not been the relevant reports.

本项目提出并研究采用移动助溶剂光学浮区法生长GZO晶体的新技术，在此基础上研究掺Ga和激光辐照对GZO晶体电学、光学性质调控的规律与机理。首先，模拟光学浮区法生长晶体熔区的温度场，优化生长参数和聚焦光斑形状与尺寸，以获得尽可能大的纵向温度梯度和均匀的横向温度场；然后，将助熔剂技术与光学浮区技术结合，选择适当的助熔剂，优化生长参数，生长出5种以上掺Ga浓度的大尺寸GZO晶体；随后，从成分?结构?性质关系出发，系统研究掺Ga对 GZO晶体电学、光学性质调控的规律与机理；最后，探索紫外激光辐照对GZO单晶片电学、光学性质进一步调控的规律与机理。本项目研究结果，对深入认识GZO的本征物理性质，提高GZO薄膜电学、光学性能及其热稳定性、开发新型超快速衰减闪烁晶体，将提供拥有自主知识产权的技术基础。经文献和专利检索，目前还未见相关报道。

通过本项目研究，发明了移动助熔剂光学浮区法生长GZO晶体的新技术，在此基础上生长并研究GZO晶体掺Ga和激光辐照对电学、光学性质调控的规律与机理。探索了预烧温度、烧结温度和烧结时间对GZO陶瓷的结构和电学性质的影响，确定了最佳工艺参数，制备出系列GZO陶瓷。对所制备的GZO陶瓷进行了性能表征，确定了最佳组分，并对其掺Ga改性规律和机理进行了初步研究。建立了光学浮区法生长晶体的热传导方程，对光学浮区法晶体生长中的熔区温度场进行数值模拟，优化灯丝尺寸、生长功率、熔区形状、预制棒半径、材料热导率等技术参数，用以指导晶体生长实践。采用光学浮区法，生长出高熔点晶体(Ta2O5)1-x(TiO2)x、莫来石和多组分晶体CaxBa1-xNb2O6等，积累经验，找到生长GZO晶体的突破口。发明了移动助熔剂光学浮区法生长GZO晶体的新技术。通过研究ZnO与其他氧化物相图，找到能够把GZO晶体的熔点降低至挥发点1300℃以下的助熔剂，成功地生长出12种不同掺Ga浓度的GZO晶体，晶体直径9-14 mm、长46-120 mm。在此基础上，探索出GZO晶体的电学和光学性质随组分的变化规律，确定了最佳组分为GZO-0.5 wt%，分析了掺杂改性的机理。发明了一种自由曲面微透镜阵列光束整形系统的设计方法并研制出微透镜阵列准分子激光均束装置。利用该装置，系统研究了准分子激光辐照中激光波长、能量密度、辐照时间、辐照气氛对ZnO和GZO单晶片载流子浓度、迁移率、电阻率、光致发光谱、光透过率的影响规律与机理。结果表明：KrF准分子激光可以有效地调控 ZnO单晶的光电性能；而对GZO单晶则影响不大。此外，发明了一种采用激光辐照氮化镓外延片改善以其为基底的LED发光性能的方法，探索了高掺Ga浓度GZO薄膜制备技术。共发表SCI论文11篇、EI论文1篇；获得美国发明专利授权1项、中国发明专利授权3项。