功能晶体熔融生长微观机理研究

熔融法晶体生长是制备功能晶体最重要的方法，研究液相结构向晶体结构的演化过程是揭示熔融晶体生长微观机理的基础。本项目采用高温显微Raman光谱和X射线表面衍射等原位观测分析手段，围绕同成分熔融和以硼酸盐为主的熔盐晶体生长体系，开展微观生长机理及相关基础问题研究，包括：（1）研制适合不同熔融体系的晶体生长原位观测的专用微型生长炉；（2）熔融法晶体生长体系的液相组成与微观结构的关系；（3）晶体生长基元与溶液结构的关系及其在固液边界层内结构的变化；（4）晶体生长的微观机理和结晶习性的关系及其对晶体缺陷的影响；（5）微观生长机制和不同方向晶体生长的难易的关系；（6）通过微观机理研究信息的反馈为BBO和CBO等晶体生长工艺的改进提供依据和参考。本项目的研究可获得多种生长体系的微观生长机制，并在此基础上总结出熔融法晶体生长微观机理，为构建实际晶体生长理论奠定基础，为晶体生长的工艺改进提供依据和参考。

本项目在先前自然科学基金工作的基础上，对熔融法晶体生长的微观机理进行了进一步的深入研究，在本项目的研究中，主要采用了高温激光显微拉曼光谱原位实时观测技术，继续对多个同成分熔融晶体的微观生长机理进行了研究，还对多个非同成分熔融晶体(包括助熔剂法生长的晶体)的微观生长机理进行了研究。研究表明，非同成分熔融晶体在生长时和同成分熔融的晶体一样存在晶体生长边界层，在边界层内高温溶液中的结构基元转化成了具有晶体单胞结构特征的生长基元。在本项目的研究中，还引入了同步辐射X-射线表面衍射技术和同步辐射X-射线吸收精细结构谱(XAFS)技术，用自己发明的适用于采用这两种技术进行晶体生长原位实时观测的微型晶体生长炉，对一些晶体生长体系中的边界层内的生长基元的结构进行了观测。同步辐射X射线表面衍射技术的原位实时观测结果表明，熔体处于无序状态，在边界层中随着测量点由熔体侧向晶体侧接近，有序度逐渐变大，证明了生长基元已具有单胞结构。.综上实验研究结果，提出的实际晶体生长模型如下：a.实际晶体生长都存在晶体生长边界层，它是晶体生长由熔体(溶液)中的结构基元在边界层内形成生长基元并向晶体结构过渡的过渡层。b.生长基元是由熔体(溶液)中的结构基元在生长边界层相互链接形成的具有单胞结构的基团，具有短程有序的特征。c.生长基元的外部存在尚未键链的悬键，基元具有一定的取向自由度。d.晶体生长界面存在也同样尚未键链的悬键。e.生长基元的悬键和生长界面上对应的悬键电荷极性相反，因此生长基元可以在界面上实现与晶体的键合，完成晶体生长过程。这是一个创新性的晶体生长模型，用这个模型使许多实际晶体生长中出现的规律得到了合理的解释，例如晶体生长习性、温度梯度大生长的晶体容易开裂、快速生长的晶体质量不好甚至变成多晶等问题。.本项目还对多个助熔剂法生长的硼酸盐晶体的助熔剂作用机理进行了研究，提出了如何选择助熔剂的方法和路线，能使高温溶液中的大基团结构转化为小基团结构、使高温溶液的粘度降低的助熔剂是较好的助熔剂。因此，本项目已全面完成了项目的研究任务。