熔體定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體形貌演化及缺陷研究.pdf

1、本文研究了SAPMAC法定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的形態(tài)演變及工藝參數(shù)對(duì)其影響的規(guī)律,提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及工藝設(shè)計(jì)方法;考察了結(jié)晶界面形貌的演變過(guò)程、理論探討了藍(lán)寶石結(jié)晶界面上介觀尺度形貌形成的可能機(jī)制;分析了藍(lán)寶石晶體中云霧缺陷的形成機(jī)制及晶面特殊結(jié)構(gòu)的腐蝕行為,獲得以下結(jié)果:
　　采用不同加熱體功率下降速度進(jìn)行藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)固定加熱體功率下降速度條件下,SAPMAC法生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體呈上小下大的圓臺(tái)外形;加熱體功率下降速度越

2、大,晶體在放肩和等徑階段直徑增加越快,而在收尾階段直徑減小越慢。建立的晶體外形演化模型表明決定晶體形態(tài)演化行為的控制因素為提拉速度、生長(zhǎng)界面凸出程度和徑向推移速度。提拉速度升高,生長(zhǎng)界面凸出程度和徑向推移速度降低均可降低晶體直徑增大速度或增大直徑的減小速度;在以上控制因素固定條件下生長(zhǎng)晶體時(shí),晶體的直徑將逐漸增大直至一自穩(wěn)定值,此后,晶體直徑對(duì)生長(zhǎng)條件波動(dòng)不敏感,可自行回復(fù)到自穩(wěn)定值。通過(guò)求解有限長(zhǎng)度一維結(jié)晶模型建立了實(shí)際結(jié)晶系統(tǒng)結(jié)晶界

3、面推移速度的定量表達(dá)式,進(jìn)一步分析認(rèn)為加熱體功率恒速降低引起生長(zhǎng)界面徑向推移速度在放肩后逐漸升高,造成晶體直徑的逐漸增大,恒定提拉速度導(dǎo)致晶體直徑在放肩后快速減小,因此生長(zhǎng)出等徑晶體的基本條件是在線降低提拉速度和加熱體功率,但加熱體功率下降速度應(yīng)緩慢減小。
　　對(duì)SAPMAC法A-[1120]向和C-[0001]向生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體結(jié)晶界面微介觀形貌的觀察結(jié)果表明 A向生長(zhǎng)晶體的結(jié)晶界面在低結(jié)晶速度條件下為二維形核生長(zhǎng)機(jī)制形成的大面積

4、生長(zhǎng)層構(gòu)成的光滑界面,生長(zhǎng)層具有沿[8803]晶向所在直線的長(zhǎng)直棱邊;隨著結(jié)晶速度升高結(jié)晶界面上逐漸出現(xiàn)螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)丘,界面形態(tài)發(fā)生起伏并最終形成由螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)丘沿[8803]晶向所在直線延伸合并而成的條帶狀組織。C向生長(zhǎng)晶體結(jié)晶界面形貌較為穩(wěn)定,為正三角錐腔和正三角島狀結(jié)構(gòu)交替構(gòu)成的粗糙界面。島狀結(jié)構(gòu)由二維形核機(jī)制生長(zhǎng)層構(gòu)成。
　　隨著結(jié)晶界面遠(yuǎn)離冷卻端,定向結(jié)晶界面可對(duì)液相內(nèi)持續(xù)的溫度波動(dòng)產(chǎn)生非線性響應(yīng),出現(xiàn)平面、淺胞、指狀到

5、分枝的形態(tài)演變過(guò)程;結(jié)晶速度越高,響應(yīng)越劇烈,平界面推進(jìn)距離越短。嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析表明純物質(zhì)定向凝固界面對(duì)瞬時(shí)形態(tài)擾動(dòng)的穩(wěn)定性亦決定于結(jié)晶速度。當(dāng)結(jié)晶速度低于某一臨界值時(shí),界面穩(wěn)定性模式隨結(jié)晶速度升高依次為短波穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和絕對(duì)穩(wěn)定。結(jié)晶速度超過(guò)臨界值后,界面仍可體現(xiàn)出三種穩(wěn)定模式,這意味著純物質(zhì)結(jié)晶界面在較小正溫度梯度下亦可出現(xiàn)失穩(wěn),而在高負(fù)溫度梯度下卻可能是穩(wěn)定的。據(jù)此可以確定實(shí)驗(yàn)觀察到結(jié)晶界面形態(tài)起伏與界面對(duì)熔體溫度波動(dòng)的非線性響

6、應(yīng)及失穩(wěn)行為密切相關(guān)。
　　SAPMAC法藍(lán)寶石晶體內(nèi)云霧缺陷由氣泡聚集而成,平均直徑約為29.4?m。激光顯微拉曼光譜測(cè)試表明氣泡內(nèi)氣體為CO2,它們經(jīng)雜質(zhì)C與Al2O3高溫分解產(chǎn)生的活化 O2-反應(yīng)形成,其后通過(guò)溶質(zhì)再分配及提拉負(fù)壓作用在結(jié)晶界面前沿2.8mm厚熔體層內(nèi)聚集并析出形核,進(jìn)而長(zhǎng)大形成氣泡。SAPMAC法晶體生長(zhǎng)過(guò)程中熔體呈自然對(duì)流模式,但在結(jié)晶界面中心部位前沿易出現(xiàn)熔體渦旋;另一方面,結(jié)晶界面前沿熔體流速量級(jí)遠(yuǎn)大

7、于熔體中氣泡受力分析所給出的能使平均直徑為29.4?m的氣泡在熔體中懸浮的熔體流速量級(jí),因此結(jié)晶界面前沿氣泡將在熔體帶動(dòng)下向界面中心部位前沿熔體渦旋運(yùn)動(dòng)并被渦旋捕獲,進(jìn)而被結(jié)晶界面捕獲形成常見(jiàn)的晶體軸線區(qū)云霧缺陷。提拉速度下降有利于減弱結(jié)晶界面中心部位前沿熔體漩渦的強(qiáng)度和體積,增大熔體自然對(duì)流速度,降低氣體析出能力和減小結(jié)晶界面粗糙度,降低加熱體功率下降速度可減小晶體生長(zhǎng)速度,降低結(jié)晶界面粗糙度,從而減小界面前沿氣體濃度和形核析出能力。

8、降低提拉速度和加熱體功率下降速度是抑制SAPMAC法晶體云霧缺陷形成的有效途徑。
　　KOH熔體中藍(lán)寶石晶體C-{0001}晶面上位錯(cuò)的蝕坑形態(tài)為三次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱正三棱錐(臺(tái))或六棱錐(臺(tái)),側(cè)壁面出現(xiàn)明顯的晶面化,這些晶面均屬于{1102}晶面族。C面上較深空腔的蝕坑形態(tài)亦為三次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的空間結(jié)構(gòu),側(cè)壁面由{2116}、{1105}、{1100}和{1120}晶面族構(gòu)成。位錯(cuò)蝕坑以運(yùn)動(dòng)波形式擴(kuò)展,在腐蝕過(guò)程沒(méi)有明顯的形態(tài)變化,其腐蝕