CN106245115A - 一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响 - Google Patents

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郭余庆
何晓明
王军
孙曙光
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于步骤如下：(1) 放肩阶段，固液界面凸出度及温度梯度较大，此阶段较大的温度梯度有利于晶体稳定生长；(2) 等径阶段，固液界面凸出度较小，温度梯度随晶体生长呈减小趋势。此阶段晶体生长速率对固液界面的影响较明显；本发明的优点是：泡生法中，晶体生长速率等于单位时间固液界面向熔体移动的距离，即单位时间晶体生长的高度。因泡生法生长蓝宝石过程十分缓慢，生长速率大约控制在 0.5~5.0 mm/h的范围内。

Description

一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响。
背景技术
泡生法晶体生长是由液相不断转变成固相的过程，在该过程中，分子从无序堆积转变为具有对称性结构的有序阵列，即通过固液界面的定向移动来逐渐完成。
在晶体制备的过程中，把固液界面的形变量和温度梯度控制在合理的范围内是提高晶体质量的关键。通常改变固液界面的形状可以通过调整炉体的结构参数或工艺控制参数来实现，而生长速率是实际晶体生长过程中可以人工控制的一个重要工艺参数。晶体生长过程中，较大的生长速率可以提高生产效率，但是过大的生长速度，也会产生不利的影响，影响质量，降低晶体的利用率；了解生长速率在各生长阶段产生的影响，才能做到提高生长速率的同时而不影响晶体质量。
发明内容
为克服上述技术问题，本发明提供一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响。
一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于步骤如下：
(1) 放肩阶段，固液界面凸出度及温度梯度较大，此阶段较大的温度梯度有利于晶体稳定生长；
(2) 等径阶段，固液界面凸出度较小，温度梯度随晶体生长呈减小趋势。此阶段晶体生长速率对固液界面的影响较明显。
所述步骤（1）中合理生长速率范围为0~2 mm/h。
所述步骤（1）固液界面处温度梯度减小。
所述步骤（2）生长速率范围2~5 mm/h。
所述步骤（2）中固液界面形状、结晶区域温度梯度均随生长速率的增加而减小。
本发明的优点是：泡生法中，晶体生长速率等于单位时间固液界面向熔体移动的距离，即单位时间晶体生长的高度。因泡生法生长蓝宝石过程十分缓慢，生长速率大约控制在 0.5~5.0 mm/h的范围内[1,7]。晶体的生长速率与晶体、熔体的热传导系数和晶体、熔体的温度梯度有关；只有当KS▽T|S > KL▽T|L时，晶体才会向下生长。在晶体热传导系数KL= 2.05 W/(mk)、熔体热传导系数KS = 5.8 W/(mk)固定的情况下，增大晶体温度梯度，减小熔体温度梯度，晶体生长速率越快，反之亦然。
附图说明
图1是本发明在3.6 kg放肩阶段固液界面形状图；
图2是本发明在21 kg等径阶段固液界面形状图；
图3是本发明在60 kg等径阶段固液界面形状图；
图4是本发明对应的固液界面凸出度；
具体实施方式
一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于步骤如下：
(1) 放肩阶段，固液界面凸出度及温度梯度较大，此阶段较大的温度梯度有利于晶体稳定生长；在生长速率范围0~2 mm/h内，晶体生长速率加快，固液界面凸出度减小，固液界面处温度梯度减小，但减小幅度很小。
(2) 等径阶段，固液界面凸出度较小，温度梯度随晶体生长呈减小趋势；此阶段晶体生长速率对固液界面的影响较明显；在生长速率范围2~5 mm/h内，固液界面形状、结晶区域温度梯度均随生长速率的增加而减小；通过调节晶体生长速率来控制晶体生长过程中固液界面的形变量和结晶区域的温度梯度，保证晶体生长可以有较高的安全生长率。
实施例1
固液界面的形变程度是影响晶体质量的关键参数，在泡生法生长蓝宝石中，固液界面的热量传递主要包括来自坩埚侧壁的热传导、熔体中的热对流以及结晶潜热的释放。固液界面附近沿径向方向的热传递会受到抑制，而沿中心轴向正方向的热传递相对较强，从而造成固液界面凸向熔体[8]。凸界面生长时，界面相对稳定，有利于单晶的形成，有利于杂质和气泡的排出，因此，使固液界面形状保持一定的凸度是获得较高质量晶体的一个重要特征。
台湾中央大学Chen 和Lu提出用凸出度来描述固液界面的形变量，将其定义为界面的轴向高度差。
D = MaxZh - MinZh
式中：Zh为轴向上固液界面的高度。
如图1-3 所示a、b、c分别为生长至3.6 kg放肩阶段、生长至21 kg等径阶段、生长至60 kg等径阶段，不同生长速率下固液界面的形状，图4为对应的固液界面凸出度。
从图1-4中我们可以看出，放肩阶段固液界面形变随生长速率变化很小，进入等径生长阶段，生长速率的影响越加明显。
放肩阶段，当生长速率处于0~2 mm/h范围内时，晶体生长速率对固液界面影响很小，可忽略不计。而生长速率大于2 mm/h时，固液界面形变随着生长速率的增加变大。在放肩阶段凸出度较大，达95 mm以上，这是由于放肩阶段晶体直径不断增加，晶体表面辐射散热的增加，造成固液界面形变量大[10]，此阶段应控制生长速率在0~2 mm/h范围内，避免生长速率造成固液界面形变量更大。
等径阶段，生长速率大于2 mm/h，固液界面的形状和凸出度随着晶体生长速率的增加而减小，这是由于提高生长速度，促进了结晶潜热的释放，从而抑制了固液界面向熔体的推进，此阶段界面平缓更有利于制备高质量晶体，适量加大生长速率可以有效的降低晶体生长过程中的固液界面的形变量。

Claims (6)

1.一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于步骤如下：
(1) 放肩阶段，固液界面凸出度及温度梯度较大，此阶段较大的温度梯度有利于晶体稳定生长；
(2) 等径阶段，固液界面凸出度较小，温度梯度随晶体生长呈减小趋势。
2.此阶段晶体生长速率对固液界面的影响较明显。
3.根据权利要求1所述的一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于：所述步骤（1）中合理生长速率范围为0~2 mm/h。
4.根据权利要求2所述的一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于：所述步骤（1）固液界面处温度梯度减小。
5.根据权利要求1所述的一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于：所述步骤（2）生长速率范围2~5 mm/h。
6.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响，其特征在于：所述步骤（2）中固液界面形状、结晶区域温度梯度均随生长速率的增加而减小。
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