CN104534879A - 同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长微观结构的方法和微型晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了同步辐射微束X射线衍射(μ-XRD)技术原位实时测量熔融法晶体生长微观结构的方法，本方法基于同步辐射μ-XRD技术，分别原位实时测量熔融法晶体生长时不同区域(晶体、边界层、熔体)的微观结构，从而获得熔融法晶体生长时从熔体到晶体微观结构的变化规律；本发明还提供了同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长的微型晶体生长炉，通过该微型晶体生长炉，能在晶体生长时对晶体、边界层和熔体微观结构进行原位实时观测。

Description

同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长微观结构的方法和微型晶体生长炉

技术领域

本发明涉及同步辐射μ-XRD技术原位实时测量熔融法晶体生长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

熔融法晶体生长微观机理研究是晶体生长机理研究的关键，中科院合肥物质科学研究院（中科院安徽光机所）发明了应用高温激光显微拉曼光谱原位测量晶体生长过程中微观生长基元微观结构变化的方法，以及适应高温拉曼光谱原位测量的晶体生长热台（微型晶体生长炉），已用高温显微拉曼光谱技术对几十种晶体的微观生长机理进行了研究，发现在熔体（或高温溶液）和晶体之间存在一个熔体（高温溶液）结构基元向晶体微观生长基元结构过渡的区域，在该区域内微观生长基元已经有生长晶体单胞的某些结构特征。在这一变化过程中微观生长基元的特征拉曼峰强有由熔体侧到晶体侧逐渐增强的变化规律，这是晶体生长微观机理研究取得的重要成果。该方法和装置分别获得了发明专利和实用新型专利授权，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。然而，拉曼光谱虽然揭示了晶体生长边界层内的晶体微观生长基元具有晶体单胞结构的特征，但是，尚存在一些拉曼光谱技术难以解决的问题，例如拉曼光谱虽然表明边界层内的生长基元已经具有单胞结构的特征，但是否是真正的单胞结构光靠拉曼光谱的特征峰是不能确定的；再如，测量点越靠近晶体边界，边界层内的拉曼光谱的特征峰就越强，这是生长基元数量增多还是生长基元相互连接长大所造成的，拉曼光谱本身也不能确定；还如生长基元是否具有一定的有序度和取向性拉曼光谱本身也不能确定。本发明则是通过同步辐射微束X射线衍射技术(μ-XRD)原位实时测量晶体生长过程中熔体、边界层和晶体等区域的微观结构，并获得不同区域微观结构的有序度特征和变化信息，这是一种研究晶体生长微观机理的新方法。多种晶体生长微观机理的研究方法的研究结果可以相互印证和补充，使晶体生长微观机理的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同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长不同区域微观结构的方法和适用于该方法的微型晶体生长炉，能实现晶体生长时对晶体、边界层和熔体等区域的微观结构的原位、实时观测。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

同步辐射μ-XRD技术原位实时测量熔融法晶体生长微观结构的方法，其具体步骤如下：

步骤1、将实验晶体作为晶体生长原料(可以是晶体碎片，也可以是凝固的多晶薄片)放入炉内的坩埚内，将实验晶体制成厚薄比坩埚口径略小的薄片，且，在晶体薄片的上方两侧分别开有一个凹口，并通过凹口将晶体薄片固定在籽晶杆下端的铂金丝上，调节螺杆旋钮，使晶体薄片的下部插入到坩埚内，与晶体生长原料相接触，晶体薄片平面与X射线通道中心轴线垂直；将炉子放在同步辐射微束X射线衍射线站的实验台上；开通同步辐射线站上的X射线光源，调整炉子的位置，使微束X射线可以透过炉内的晶体薄片区域，然后关闭X射线光源；

步骤2、打开冷却水系统和电加热器，通过温控系统控制电加热器的加热功率，使坩埚内原料和插入坩埚部分的晶体薄片熔化，并在坩埚的上方通过表面张力和毛细作用形成晶体、边界层和熔体三部分区域；开通X射线光源，并通过X射线衍射线站上的三维调整架调节晶体薄片生长界面的位置，使微束X射线可以分别透过这三个区域并采集实验数据；

步骤3、通过微聚焦X射线衍射线站上的CCD的显示实验过程的图像，可观察到微型炉内晶体生长的状态以及晶体、边界层和熔体三个区域。

本发明还涉及了一种应用于同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长微观结构的微型晶体生长炉，它包括炉体和炉盖，所述炉体和炉盖均为具有循环冷却水通道的双层结构，在所述炉体和炉盖上分别设有一个进水孔和出水孔，所述炉体上的进水孔通过连接管与炉盖上的出水孔相连，所述炉体上的出水孔和炉盖上的进水孔与冷却水系统相连；

所述炉体内设有电加热器，该电加热器是由一个“U”形刚玉和铂金丝构成，所述的铂金丝缠绕在“U”形刚玉上，所述“U”形刚玉外围与炉体内壁之间填充有保温材料，在所述“U”形刚玉中间还放置有坩埚；

所述的“U”形刚玉外侧与保温材料之间还设有一个热电偶；

所述炉体两侧还分别开有通孔，其中一侧的通孔是电加热器的供电导线与炉体外温控仪相连的通孔，另一侧则是热电偶的导线与炉体外温控仪相连的通孔；

所述炉体正前方还开有一个入射口，与入射口相对的炉体另一面还开有一个出射口，所述入射口与出射口相通，入射口和出射口均为矩形口，出射口口径比入射口口径大，使同步辐射X射线穿过样品后具有一个喇叭口状的衍射光线通道，便于采集各个方向的衍射信息。

所述炉盖顶部中间位置开有一个顶孔，在所述炉盖顶部还固定一个支架，在支架中心有一个螺母孔，所述螺母孔内有螺杆，在螺杆的顶端有螺杆旋钮，在其底端还设有一个夹持件，该夹持件上设有一根籽晶杆，所述的籽晶杆下端还有一根铂金丝。

进一步，所述的坩埚为扁平状铂金坩埚。

进一步，所述坩埚底部与“U”形刚玉之间还填充有保温材料。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过同步辐射μ-XRD技术原位实时观测晶体生长时的晶体、边界层和熔体三个区域的微观结构、有序度等特征及变化规律，获得熔融法晶体生长的微观机制；

2)本发明中的微型晶体生长炉是应用于同步辐射μ-XRD技术的微型晶体生长炉，以独特的结构、温场设计和精密的温度控制，可形成稳定的晶体、边界层和熔体三部分区域，并完全呈现在同步辐射μ-XRD的测量范围内；

3)实现了原位、实时的测量，既能在晶体生长过程中观察到晶体、边界层和熔体三区域，又能原位测量到三区域的微观结构。

附图说明

图1为本发明微型晶体生长炉正面结构示意图；

图2为本发明微型晶体生长炉侧面剖示图；

图3为图1中部分结构放大示意图；

图4为本发明晶体薄片与坩埚结构示意图；

图5为电加热器结构示意图；

    图6为晶体薄片在炉体内呈现的三个区域。

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-图6所示，同步辐射μ-XRD技术原位实时测量熔融法晶体生长微观结构的方法，其具体步骤如下：

①、将实验晶体作为晶体生长原料(可以是晶体碎片，也可以是凝固的多晶薄片)放入炉内的坩埚7内，将实验晶体制成厚度比坩埚7口径略小的晶体薄片21，且在晶体薄片21的上方两侧分别开有一个凹口210，并通过凹口将晶体薄片21固定在籽晶杆19下端的铂金丝20上，调节螺杆旋钮17，使晶体薄片21的下部插入到坩埚7内，与晶体生长原料相接触，晶体薄片21平面与X射线通道中心轴线垂直；将炉体1放在同步辐射微束X射线衍射线站的实验台上；开通同步辐射线站上的X射线光源，调整炉体1的位置，使微束X射线可以透过炉内的晶体薄片21区域，然后关闭X射线光源。

②、打开冷却水系统4和电加热器5，通过温控仪9使电加热器5给炉体1缓慢升温，使坩埚7内原料和插入坩埚7部分的晶体薄片21熔化，并在坩埚7的上方通过表面张力和毛细作用形成晶体21、边界层212和熔体211三部分区域；开通X射线光源，并通过X射线衍射线站上的三维调整架调节晶体薄片21生长界面的位置，使微束X射线可以分别透过这三个区域并采集实验数据。

③、通过微聚焦X射线衍射线站上的CCD的显示实验过程的图像，可观察到微型炉内晶体生长状态以及晶体21、边界层212和熔体211三个区域。

本发明还涉及了一种同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长微观结构的微型晶体生长炉，它包括炉体1和炉盖2，炉体1和炉盖2均为具有循环冷却水通道的双层结构，其双层结构之间为循环水100、200通道，在炉体1和炉盖2上分别设有一个进水孔101、201和出水孔102、202，炉体1上的进水孔101通过连接管3与炉盖2上的出水孔202相连，炉体1上的出水孔102和炉盖2上的进水孔201与冷却水系统4相连；炉体1内设有电加热器5，该电加热器5是由一个“U”形刚玉50和铂金丝51构成，铂金丝51缠绕在“U”形刚玉50上，“U”形刚玉50外围与炉体1内壁之间设有保温材料6，在“U”形刚玉50中间还放置有坩埚7；“U”形刚玉50与保温材料6之间还设有一个热电偶8；炉体1两侧还分别开有通孔103，其中一侧的通孔103是电加热器5的供电导线52与炉体1外温控仪9相连的通孔，另一侧则是供热电偶8的导线80与炉体1外温控仪9相连的通孔；炉体1正前方还开有一个入射口10，与入射口10相对的炉体1另一面还开有一个出射口11，入射口10与出射口11相通；入射口10和出射口11均为矩形口，出射口口径比入射口口径大，使同步辐射X射线穿过样品后具有一个喇叭口状的衍射光线通道，便于采集各个方向的衍射信息。炉盖2顶部中间位置开有一个顶孔12，在炉盖2顶部还固定一个支架14，在支架14中心置有一个螺母孔15，螺母孔15内有螺杆16，在螺杆16的顶端有螺杆旋钮17，在其底端还设有一个夹持件18，该夹持件18上设有一根籽晶杆19，籽晶杆19下端还有一根铂金丝20。

进一步，坩埚7为扁平状铂金坩埚。

进一步，坩埚7底部与“U”形刚玉50之间还填充有保温材料60。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。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 (3)

1.同步辐射μ-XRD技术原位实时测量熔融法晶体生长微观结构的方法，其特征在于：

a、将实验晶体作为晶体生长原料放入炉内的坩埚内，将实验晶体制成厚薄比坩埚口径略小的薄片，且在晶体薄片的上方两侧分别开有一个凹口，并通过凹口将晶体薄片固定在籽晶杆下端的铂金丝上，调节螺杆旋钮，使晶体薄片的下部插入到坩埚内，与晶体生长原料相接触，晶体薄片平面与X射线通道中心轴线垂直；将炉子放在同步辐射微束X射线衍射线站的实验台上；开通同步辐射线站上的X射线光源，调整炉子的位置，使微束X射线可以透过炉内的晶体薄片区域，然后关闭X射线光源；

b、打开冷却水系统和电加热器，通过温控系统控制电加热器的加热功率，使坩埚内原料和插入坩埚部分的晶体薄片熔化，并在坩埚的上方通过表面张力和毛细作用形成晶体、边界层和熔体三部分区域；开通X射线光源，并通过X射线衍射线站上的三维调整架调节晶体薄片生长界面的位置，使微束X射线可以分别透过这三个区域并采集实验数据；

c、通过微聚焦X射线衍射线站上的CCD的显示实验过程的图像，可观察到微型炉内的晶体生长状态以及晶体生长时的晶体、边界层和熔体三个区域。

2.同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长微观结构的微型晶体生长炉，它包括炉体和炉盖，所述炉体和炉盖均为具有循环冷却水通道的双层结构，在所述炉体和炉盖上分别设有一个进水孔和出水孔，所述炉体上的进水孔通过连接管与炉盖上的出水孔相连，所述炉体上的出水孔和炉盖上的进水孔与冷却水系统相连；

所述炉体内设有电加热器，该电加热器是由一个“U”形刚玉和铂金丝构成，所述的铂金丝缠绕在“U”形刚玉上，所述“U”形刚玉外围与炉体内壁之间填充有保温材料，在所述“U”形刚玉中间还放置有坩埚；

所述的“U”形刚玉外侧与保温材料之间还设有一个热电偶；

所述炉体两侧还分别开有通孔，其中一侧是供电加热器的导线与炉体外的温控仪相连，另一侧则是供热电偶的导线与炉体外温控仪相连的通孔；

所述炉体正前方还开有一个入射口，与入射口相对的炉体另一面还开有一个出射口，所述入射口与出射口相通，其特征在于：

所述入射口和出射口均为矩形口，且，出射口口径比入射口径大，使同步辐射X射线穿过样品后具有一个喇叭口状的衍射光线通道，便于采集各个方向的衍射信息；

所述炉盖顶部中间位置开有一个顶孔，在所述炉盖顶部还固定一个支架，在支架中心有一个螺母孔，所述螺母孔内有螺杆，在螺杆的顶端有螺杆旋钮，在其底端还设有一个夹持件，该夹持件上设有一根籽晶杆，所述的籽晶杆下端还有一根铂金丝，所述坩埚底部与“U”形刚玉之间还填充有保温材料。

3.根权利要求2所述同步辐射μ-XRD技术原位测量熔融法晶体生长微观结构的微型晶体生长炉，其特征在于：所述的坩埚为扁平状铂金坩埚。