CdZnTe晶体分离结晶界面形状计算及稳定性分析

论文摘要

分离结晶技术是最近二三十年中发展出来的一种新型晶体结晶方法,这种技术主要来源于1974年太空实验室的微重力条件下进行的Bridgman法晶体生长实验。在实验过程中晶体是在与坩埚分离的情况下生长完成的,避免了结晶过程中由于与坩埚接触所带来的很多坏处（如晶体断层、孪晶等）,使得晶体的质量得到了很大的提高。这种方法就是后来被成为“分离结晶”或者“坩埚不侵润”的现象。这种技术特别适用于制备那些对坩埚热应力非常敏感的Ⅱ-Ⅵ族晶体材料（如CdZnTe）。CdZnTe晶体是一种极具工程意义的材料,在天体物理研究、工业检测、核辐射探测和核医学等方面有重要用途。文中简要地概括了分离结晶技术的由来、发生机理以及它的优点,并介绍了国外学者对这一技术研究的现状和成果。到目前为止,虽然在太空和地面条件下的分离结晶实验都取得了一定的成功,但是导致分离结晶的内部机制还不是完全清楚,所以有必要对这一现象作进一步的深入研究。本文在前人研究的基础上,首先,建立了太空及地面条件下分离结晶数学模型,并求解CdZnTe晶体分离结晶弯界面的形状。其次,采用Lyapunov稳定性方法对分离结晶过程进行了稳定性分析。主要包括以下内容:①建立太空及地面条件下分离结晶弯界面的数学模型,求得弯界面存在的条件,并且分析了不同因素对弯界面形状的影响。②使用Lyapunov稳定性理论对微重力条件下的分离结晶过程进行了稳定性分析,分析了弯界面形状、传热和坩埚冷热端压力差分别对结晶过程稳定性的影响。结果表明:晶体熔体的生长角、接触角、熔体冷热两端的压力差都是分离结晶是否发生和稳定的关键因素。在微重力条件下,大部分分离结晶的过程都是稳定的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统的制备晶体的两种方法
• 1.2.1 Czochralski 方法
• 1.2.2 Bridgman 方法
• 1.3 分离结晶技术概述
• 1.3.1 引言
• 1.3.2 分离结晶技术早期认识与研究
• 1.3.3 发生分离结晶的可能原因
• 1.3.4 近二十年来分离结晶技术实验研究
• 1.4 分离结晶技术制备CDZNTE 晶体
• 1.4.1 CdZnTe 晶体简介
• 1.4.2 传统的制备CdZnTe 晶体的方法
• 1.4.3 传统方法制备CdZnTe 晶体的缺陷
• 1.4.4 分离结晶法制备CdZnTe 晶体材料
• 1.5 本文研究的目的及内容
• 2 界面形状计算
• 2.1 引言
• 2.2 微重力条件下弯界面宽度计算
• 2.2.1 物理模型及相关假设
• 2.2.2 数学模型
• 2.2.3 计算结果及讨论
• 2.3 常重力条件下弯界面形状计算
• 2.3.1 物理模型及相关假设
• 2.3.2 数学模型
• 2.3.3 方程求解
• 2.3.4 计算结果及讨论
• 2.3.5 增大接触角的可行性
• 2.4 本章小结
• 3 稳定性分析
• 3.1 引言
• 3.2 LYAPUNOV 稳定性理论简介
• 3.3 弯界面形状对分离结晶稳定性的影响
• 3.3.1 物理模型及相关假设
• 3.3.2 稳定性分析
• 3.4 传热及几何因素对分离结晶稳定性的影响
• 3.4.1 Lyapunov 方程系数的确立
• 3.4.2 物理模型及相关假设
• 3.4.3 坩埚径向绝热的情况
• 3.4.4 坩埚径向导热的情况
• 3.4.5 计算结果及讨论
• 3.5 冷热端压力差对分离结晶的影响
• 3.6 本章小结
• 4 全文总结及展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录