CN103698348B - Gixrd技术原位实时测量晶体生长边界层微观结构的方法和微型晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构方法和微型晶体生长炉，属于物质微观结构实时检测的实验方法领域。该方法针对GIXRD技术的特点和原位实时测量晶体表面微熔膜结构的要求，设计了一种结构独特的微型晶体生长炉。该微型晶体生长炉采用顶部加热方式，使实验晶体上表面均匀熔化形成一层薄膜，该薄膜从表面到晶体可形成熔体、边界层和晶体的三个区域。采用不同的入射角的X射线对晶体表面薄膜进行掠入射扫描，可分别采集到薄膜不同深度处的衍射谱，以及与之相对应的薄膜不同深度的有序度信息，这是一种通过原位实时测量直接获得晶体生长时不同区域有序度信息的方法，是研究晶体生长的微观机理一种新方法。

Description

GIXRD技术原位实时测量晶体生长边界层微观结构的方法和 微型晶体生长炉

技术领域

本发明涉及一种GIXRD技术原位实时测量晶体生长边界层微观结构的方法和微型晶体生长炉，属于物质微观结构原位实时测量的实验方法领域。

背景技术

在熔体法生长晶体时，在晶体和熔体之间存在晶体生长边界层——由熔体结构向晶体结构转化的过渡层。在熔体内的结构基元进入边界层后逐步形成了具有某些晶体单胞结构特征的生长基元，最终叠合在晶体表面形成晶体。晶体的宏观生长规律与边界层内生长基元的微观结构的变化规律相关。原位实时测量晶体生长边界层的微观结构及其变化规律是研究晶体生长微观机理的实验方法，是建立实际晶体生长理论的实验基础。

1998年山东大学于锡玲教授设计一套玻璃结晶器，采用全息相衬干涉显微术，发现水溶液法晶体生长存在溶质边界层，并申请了发明专利和实用型专利，专利号分别为98110030.9、98220096.X。2001年安光所发明了应用高温激光显微拉曼光谱实时原位测量晶体生长过程中生长基元微观结构变化及变化规律的方法，以及适应高温拉曼光谱原位实时测量的晶体生长热台装置，已对几十种晶体的熔体、晶体和边界层的微观结构进行了实时观测和研究，取得了重要的研究成果。该方法和装置分别获得了发明专利和实用型专利授权，专利号分别为ZL01238010.5、ZL01113657.X。

拉曼光谱是物质粒子之间化学键振动状态的反映，通过拉曼光谱可获得物质结构的信息，因此应用激光显微拉曼光谱技术可对晶体生长过程中，晶体、边界层、熔体微观结构及其变化进行原位、实时观测。但是该方法所测得的微观结构是间接的，需要其它方法的结果进行补充和完善，本发明则是通过GIXRD（同步辐射掠入射X射线衍射谱）技术原位实时测量晶体表面熔化后形成的薄膜的不同深度的X射线衍射谱，从而获得处于表面以下的熔体、生长边界层和晶体三个区域的微观结构信息，以及生长基元微观结构的演变规律，是研究晶体生长微观机理的一种新方法。可以对晶体生长微观机理研究的其它方法的实验结果相互印证和补充，使晶体生长微观机理研究更加完善和深入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种GIXRD技术原位实时测量晶体生长边界层微观结构的方法和微型晶体生长炉

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构的方法，其特征在于：先使用顶部加热方式，使炉内温场上热下冷的分布，通过精确的温度控制，使其表面形成一层熔化的薄膜。此时晶体生长系统可视为生长和熔化动态平衡，即形成稳定的熔体、边界层和晶体三部分，以同步辐射掠入射X射线衍射（GIXRD）技术，并通过调节掠入射角的大小，对熔化薄膜不同深度处进行原位实时测量（光源本身是水平入射，而晶体表面的薄膜很薄，可以通过调节样品的倾斜角来实现掠入射角度的变化），从而获得熔体、边界层和晶体的X射线衍射谱，通过对衍射谱数据的分析，得到晶体生长基元微观结构在熔体、边界层和晶体之间的变化规律，揭示晶体生长微观机理。

一种GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构的微型晶体生长炉，它包括炉体，所述炉体顶部设有炉盖，所述炉体外设有进水口和出水口，其特征在于：所述炉体一侧开有入射孔，其另一侧开有出射孔；

所述炉体内有保温介质和电加热器，所述电加热器位于炉体内上方，与其相对的炉体下方还设有用于盛放晶体片的坩埚；

所述的电加热器是一块缠绕有电加热丝的长方形刚玉。

所述电加热丝两端与外界的温控系统相接。

所述的炉体为双层炉体，且双层炉体间形成夹层，该夹层与炉体上的进水口和出水口相通，所述炉体上的进水口与出水口与外界的循环水冷却系统相接。

所述的坩埚侧面还有热电偶，通过热电偶实时对样品附近处的温度进行的监测。

为了满足衍射信息采集的需要，所述的出射孔口径大于入射孔。

所述的保温介质为泡沫氧化铝、氧化锆等材料，坩埚为铂金坩埚或不与样品发生低共熔反应的坩埚。

为了适应同步辐射X射线掠入射线站的实验条件要求，其炉体的尺寸大小为70mm*30mm*50mm。

晶体表面温度可以根据外界的温控系统进行调节，目前最高可以升至1400℃，确保恒温时温度测量点的温度误差±0.1℃。

通过调节循环水冷却系统使微型晶体生长炉工作时外表面的温度和室温相当。

GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构的方法，其具体步骤如下：

①、将磨平的晶体样品放入微型晶体生长炉的坩埚内，使晶体上表面保持基本水平；再将微型晶体生长炉放入同步辐射X射线掠入射衍射线站的平台上，细调微型炉位置，使X射线以特定角度掠入射到晶体上表面，然后关闭X射线光源；

②、打开冷却水系统和电加热器，通过电加热器，使晶体上表面熔化形成一层薄膜，薄膜的厚薄可以通过电加热器的功率控制，使之从上而下形成熔体、边界层和晶体的三部分区域；

③、开通X射线光源，微调入射角大小掠入射到薄膜的不同深度处，采集到薄膜表面以下不同深度的熔体、边界层和晶体的衍射光谱，进而获得它们的微观结构信息。

本发明的有益效果是：

1）本发明通过同步辐射掠入射X射线衍射谱技术实现原位实时观测晶体生长时熔体、边界层和晶体三个区域的微观结构；

2）设计制造出了结构独特的微型晶体生长炉，采用精密的温场设计和精确的控温仪器，测试样品形成动态平衡的稳定的熔体、边界层和晶体三部分区域，微调掠入射角就可以原位实时测量这三个区域的衍射谱。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明双层炉体结构示意图；

图3为本发明侧面部分结构示意图；

图4为晶体样品加热后放大结构示意图。

图中：1-炉体；101-夹层；2-炉盖；3-进水口；4-出水口；5-入射孔；6-出射孔；7-保温介质；8-电加热器；801-电加热丝；802-长方形刚玉；9-坩埚；10-热电偶；11-晶体样品；12-熔化的薄膜；1201-熔体；1202-边界层。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-4所示，GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构的方法，先使用顶部加热方式，使炉内温场上热下冷的分布，通过精确的温度控制，使其表面形成一层熔化的薄膜12。此时晶体样品11生长系统可视为生长和熔化动态平衡，即形成稳定的熔体1201、边界层1202和晶体11三部分，以同步辐射掠入射X射线衍射（GIXRD）技术，并通过调节掠入射角的大小，对熔化的薄膜12不同深度处进行原位实时测量（光源本身是水平入射，而晶体表面的薄膜很薄，可以通过调节样品的倾斜角来实现掠入射角度的变化），从而获得熔体1201、边界层1202和晶体11的X射线衍射谱，通过对衍射谱数据的分析，得到晶体生长基元微观结构在熔体1201、边界层1202和晶体之间的变化规律，揭示晶体生长微观机理。

一种GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构的微型晶体生长炉，它包括炉体1，炉体1顶部设有炉盖2，炉体1外设有进水口3和出水口4，炉体1一侧开有入射孔5，其另一侧开有出射孔6；

炉体1内有保温介质7和电加热器8，电加热器8位于炉体1内上方，与其相对的炉体1下方还设有用于盛放晶体片的坩埚9。

电加热器8是一块缠绕有电加热丝801的长方形刚玉802，置于晶体样品的顶部，通过电流生热，形成上热下冷的梯度温度场，可以在晶体表面及其上部的熔化薄膜中形成晶体、边界层和熔体稳定的三部分区域。

电加热丝801两端与外界的温控系统相接。根据加热温度和气氛配置不同的这里的电加热丝也会有所变化。

炉体1为双层炉体，且双层炉体间形成夹层101，该夹层101与炉体1上的进水口3和出水口4相通，炉体1上的进水口3与出水口4与外界的循环水冷却系统相接。

坩埚9侧面还有热电偶10，通过热电偶10实时对晶体样品11附近处的温度进行的监测。

为了满足衍射信息采集的需要，出射孔6口径大于入射孔5。

保温介质7为泡沫氧化铝、氧化锆等材料，坩埚9为铂金坩埚或不与样品发生低共熔反应的坩埚。

为了适应同步辐射X射线掠入射线站的实验条件要求，其炉体1的尺寸大小为70mm*30mm*50mm。

晶体表面温度可以根据外界的温控系统进行调节，目前最高可以升至1400℃，确保恒温时温度测量点的温度误差±0.1℃。

通过调节循环水冷却系统使微型晶体生长炉工作时外表面的温度和室温相当。

GIXRD技术原位实时测量熔体法晶体生长边界层微观结构的方法，其具体步骤如下：

①、将磨平的晶体样品放入微型晶体生长炉的坩埚9上，使晶体上表面保持基本水平；再将微型晶体生长炉放入同步辐射X射线掠入射衍射线站的平台上，细调微型炉位置，使X射线以特定角度掠入射到晶体样品11上表面，然后关闭X射线光源；

②、打开冷却水系统和电加热器8，通过电加热器8，使晶体样品11上表面熔化形成一层薄膜12，薄膜12的厚薄可以通过电加热器8的功率控制，使之从上而下形成熔体1201、边界层1202和晶体的三部分区域；

③、开通X射线光源，微调入射角大小掠入射到薄膜12的不同深度处，采集到薄膜12表面以下不同深度的熔体1201、边界层1202和晶体的衍射光谱，进而获得它们的微观结构信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种GIXRD技术原位实时测量晶体生长边界层微观结构的方法，其特征在于：该方法基于GIXRD技术分别原位实时掠入射晶体上表面熔化的薄膜，测得薄膜不同深度的X射线衍射谱，从而得到晶体生长时熔体、边界层和晶体的有序度，进而获得这些区域的微观结构和相应的变化规律；其具体步骤如下：

a、将磨平的晶体样品放入微型晶体生长炉的坩埚内，使晶体上表面保持基本水平；再将微型晶体生长炉放入同步辐射X射线掠入射衍射线站的平台上，细调微型炉位置，使X射线以特定角度掠入射到晶体上表面，然后关闭X射线光源；

b、打开冷却水系统和电加热器，通过电加热器，使晶体上表面熔化形成一层薄膜，薄膜的厚薄通过电加热器的功率控制，使之从上而下形成熔体、边界层和晶体的三部分区域；

c、开通X射线光源，微调入射角大小掠入射到薄膜的不同深度处，采集到薄膜表面以下不同深度的熔体、边界层和晶体的衍射光谱，进而获得它们的微观结构信息。