介質(zhì)環(huán)境對(duì)KDP晶體微觀形貌及生長(zhǎng)速率的影響研究.pdf

1、隨著慣性約束核聚變(Inertial Confinement Fusion，ICF)工程的發(fā)展，人們對(duì)KDP晶體的需求、質(zhì)量、生長(zhǎng)速度等都提出了更高的要求，可以概括為“快速、大尺寸、高質(zhì)量”?！翱焖佟?可以提供工程上所需要的KDP晶片數(shù)量，縮短生長(zhǎng)周期，降低成本?！按蟪叽纭?可以滿足ICF系統(tǒng)裝置中對(duì)晶體尺寸的要求?！案哔|(zhì)量”:可以達(dá)到ICF裝置對(duì)KDP晶體性能要求的指標(biāo)，如高的激光損傷閾值、高的透過(guò)率、高的光學(xué)均勻性等。近年來(lái)，人們對(duì)

2、KDP晶體的研究主要在生長(zhǎng)工藝、光學(xué)質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)等方面。我們認(rèn)為要從根本上提高KDP晶體的生長(zhǎng)速度、光學(xué)性能，應(yīng)該對(duì)晶體生長(zhǎng)的微觀形貌以及生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行研究。
　　作為經(jīng)典的水溶液生長(zhǎng)晶體，溫度、過(guò)飽和度、雜質(zhì)、pH等介質(zhì)環(huán)境對(duì)KDP晶體的生長(zhǎng)習(xí)性、光學(xué)質(zhì)量等都有著重要的影響。因此，本文主要選擇通過(guò)改變生長(zhǎng)溶液的飽和溫度、過(guò)飽和度、pH值，以及通過(guò)摻雜金屬離子雜質(zhì)、有機(jī)添加劑的方式，來(lái)研究各種介質(zhì)因素對(duì)KDP晶體生長(zhǎng)臺(tái)階的微觀形貌

3、、生長(zhǎng)速度的影響，對(duì)不同條件下生長(zhǎng)所得的晶體進(jìn)行激光損傷閾值的測(cè)試，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了初步的探討研究。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.在不同飽和溫度的溶液，不同的過(guò)飽和度下生長(zhǎng)了KDP晶體，測(cè)試了晶體的激光損傷閾值。利用原子力顯微鏡觀察了不同條件下KDP晶體的表面微觀形貌。通過(guò)激光偏振干涉系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量了在不同溫度下，KDP晶體的生長(zhǎng)速度與過(guò)飽和度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在低溫度區(qū)域(～35℃)下，晶體表面生長(zhǎng)臺(tái)階在低過(guò)飽和度(

4、σ=0.01)、中間過(guò)飽和度(σ=0.05)以及高過(guò)飽和度(σ=0.08)下，都出現(xiàn)了聚并升高的現(xiàn)象，宏臺(tái)階包含基本臺(tái)階的個(gè)數(shù)分別平均為21、22、59個(gè)。與此相對(duì)應(yīng)的，臺(tái)階的斜率也在這三個(gè)過(guò)飽和度下出現(xiàn)了峰值，分別為9.26×10-3、9.64×10-3、8.47×10-3。另外，在高過(guò)飽和度σ=0.08時(shí)，晶體表面出現(xiàn)“樹(shù)枝狀”臺(tái)階，我們認(rèn)為可能與臺(tái)階上存在著Ehrlich-Schwoebel(E-S)勢(shì)壘有關(guān)。在中溫度區(qū)域(～45

5、℃、55℃)下，晶體表面的臺(tái)階聚并程度都在σ=0.04時(shí)出現(xiàn)峰值，此時(shí)，在45℃下生長(zhǎng)的臺(tái)階的高度要略高于55℃的情況。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，臺(tái)階的斜率都在中間過(guò)飽和度區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)峰值，45℃時(shí)，斜率的峰值出現(xiàn)在σ=0.06時(shí)，而55℃時(shí)峰值對(duì)應(yīng)的過(guò)飽和度要低，在σ=0.04時(shí)。這兩個(gè)峰值位置所對(duì)應(yīng)的臺(tái)階寬度都是急劇降低的。在高過(guò)飽和度下，臺(tái)階的聚并程度和臺(tái)階斜率都隨過(guò)飽和度的升高而增大，其中55℃時(shí)更為顯著。在高溫度區(qū)域(～65℃)下，晶

6、體表面生長(zhǎng)臺(tái)階的聚并程度和臺(tái)階斜率都隨著過(guò)飽和度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，都在過(guò)飽和度σ=0.03時(shí)出現(xiàn)峰值，此時(shí)宏臺(tái)階包含基本臺(tái)階的個(gè)數(shù)大約為48個(gè)，臺(tái)階的斜率約為8.8×10-3。在高過(guò)飽和度σ=0.08和σ=0.09時(shí)，晶體表面出現(xiàn)“凹坑”或者“孔洞”，這些“孔洞”被臺(tái)階上的突起所包圍，我們認(rèn)為這些突起是由二維成核機(jī)制產(chǎn)生的，這也說(shuō)明此時(shí)臺(tái)階的生長(zhǎng)是位錯(cuò)臺(tái)階的推移和二維成核生長(zhǎng)機(jī)制共同作用的結(jié)果。KDP晶體在不同飽和溫度的溶

7、液中，臺(tái)階的推移速度都隨著過(guò)飽和度的增加呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的過(guò)飽和度死區(qū)σd、線性過(guò)飽和度σ*、延長(zhǎng)線通過(guò)原點(diǎn)的臨界過(guò)飽和度σ'將v(σ)曲線大致分為三個(gè)區(qū)域，這三個(gè)過(guò)飽和度都隨著溫度的升高而減小。另外，在相同的過(guò)飽和度下，臺(tái)階推移速度隨著溫度的升高而增大。在不同飽和溫度下生長(zhǎng)的KDP晶體的激光損傷閾值都隨著過(guò)飽和度的增加呈現(xiàn)出先減低后升高的趨勢(shì)，類(lèi)似于“V”形變化。
　　2.通過(guò)摻雜的方式，研究Fe3+雜質(zhì)在不同的

8、溫度、過(guò)飽和度下對(duì)KDP晶體生長(zhǎng)習(xí)性的影響。利用原子力顯微鏡技術(shù)和激光偏振干涉技術(shù)分別研究不同條件下KDP晶體(100)表面生長(zhǎng)臺(tái)階的微觀形貌和生長(zhǎng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用傳統(tǒng)降溫法生長(zhǎng)的KDP晶體，隨著溶液中Fe3+摻雜濃度的升高，臺(tái)階的聚并程度和斜率都增大，臺(tái)階分布的均勻性下降，生長(zhǎng)死區(qū)變大，生長(zhǎng)速度降低。當(dāng)Fe3+濃度為30ppm時(shí)，在不同飽和溫度的溶液中，KDP晶體的生長(zhǎng)速度隨著溫度的升高而增大。在高溫區(qū)域(～65℃、75℃)，

9、KDP晶體在摻雜溶液中的生長(zhǎng)速度要快于在未摻雜的溶液中。在飽和溫度約為55℃，溶液中的Fe3+濃度為5ppm時(shí)，KDP晶體的臺(tái)階的聚并程度只有在低過(guò)飽和度(σ=0.02)時(shí)高于未摻雜的情況。此時(shí)臺(tái)階非常直，生長(zhǎng)均勻，并且在寬的臺(tái)階陣列上明顯分布著許多基本臺(tái)階。當(dāng)Fe3+濃度為30ppm時(shí)，臺(tái)階的聚并程度隨過(guò)飽和度的升高而增大，在相同的過(guò)飽和度下都大于未摻雜時(shí)的情況。當(dāng)Fe3+濃度為50ppm時(shí)，在低過(guò)飽和度下，臺(tái)階的聚并非常高;在高的過(guò)

10、飽和度下，臺(tái)階扭折增多，變大。
　　3.在溶液中加入100ppm、500ppm的有機(jī)添加劑CDTA，采用點(diǎn)籽晶快速法生長(zhǎng)了KDP晶體。利用原子力顯微鏡技術(shù)從原子層面觀察不同濃度的CDTA對(duì)KDP晶體表面生長(zhǎng)臺(tái)階微觀形貌的影響，通過(guò)激光偏振干涉技術(shù)測(cè)量KDP晶體在摻雜不同濃度CDTA溶液中的臺(tái)階推移速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:CDTA并沒(méi)有進(jìn)入KDP晶體內(nèi)部，CDTA對(duì)晶體生長(zhǎng)的作用主要發(fā)生在溶液中的生長(zhǎng)基元向晶體擴(kuò)散的過(guò)程中。有機(jī)添加劑C

11、DTA對(duì)KDP晶體生長(zhǎng)習(xí)性的影響可以分為積極和消極兩個(gè)方面。當(dāng)溶液中添加適量濃度的CDTA時(shí)，其能夠與溶液中的金屬雜質(zhì)離子結(jié)合形成配位鍵，降低它們的化學(xué)活性。生長(zhǎng)溶液中，雜質(zhì)的減少，使得晶體生長(zhǎng)的表面變得非?！案蓛簟?，雜質(zhì)對(duì)生長(zhǎng)臺(tái)階的釘扎效果降低，甚至消失。此時(shí)晶體表面生長(zhǎng)臺(tái)階的聚并程度急劇降低，主要以基本臺(tái)階為主，臺(tái)階的推移速度也得到大幅度的提高。當(dāng)溶液中加入過(guò)量的CDTA時(shí)，其與溶液中的金屬雜質(zhì)離子形成螯合物之后，多余的CDTA會(huì)通

12、過(guò)氫鍵的作用吸附在晶體的表面上，弱的氫鍵使得CDTA一直處于吸附與解吸附的過(guò)程中，當(dāng)其沉積在臺(tái)階陣列上時(shí)，大的有機(jī)分子會(huì)形成“山包”，這些“山包”不僅會(huì)吸附K+、H2PO4-等生長(zhǎng)基元，使其難以擴(kuò)散，而且也會(huì)阻礙生長(zhǎng)臺(tái)階在晶體表面的推移，此時(shí)臺(tái)階的聚并程度會(huì)有所增加，生長(zhǎng)速度也相應(yīng)的減慢。另外，當(dāng)加入過(guò)量的CDTA時(shí)，KDP晶體沿X向和Z向的熱膨脹系數(shù)都降低。
　　4.使用H3PO4、KOH調(diào)節(jié)溶液的pH值，分別采用傳統(tǒng)降溫法與點(diǎn)

13、籽晶快速法在不同pH值的溶液中，生長(zhǎng)了KDP晶體，利用原子力顯微鏡觀察晶體(100)面的微觀形貌和臺(tái)階結(jié)構(gòu)，通過(guò)激光偏振干涉技術(shù)測(cè)量了KDP晶體在不同pH溶液中的生長(zhǎng)速度，同時(shí)對(duì)生長(zhǎng)的KDP晶體進(jìn)行了激光損傷閾值的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在低過(guò)飽和度(σ=0.01)下，KDP晶體表面生長(zhǎng)臺(tái)階的聚并程度隨著pH值的降低而減小，尤其是pH=3.5時(shí)，生長(zhǎng)臺(tái)階以基本臺(tái)階為主。當(dāng)溶液的pH值偏離正常值(pH=4.2)時(shí)，不論偏高還是偏低，所得到的K

14、DP晶體的激光損傷閾值都有所升高。調(diào)高溶液的pH值到5.2時(shí)，晶體表面生長(zhǎng)臺(tái)階上出現(xiàn)突起，這些突起隨著過(guò)飽和度的增加而變大。晶體的激光損傷閾值先增加后降低，在過(guò)飽和度σ=0.04時(shí)，達(dá)到最大值，約為21J/cm2。調(diào)低溶液的pH值到3.5時(shí)，隨著過(guò)飽和度的增加，晶體的生長(zhǎng)方式不僅存在螺旋位錯(cuò)臺(tái)階同時(shí)也存在二維成核生長(zhǎng)機(jī)制，生長(zhǎng)表面上的二維島不斷疊加和堆垛。晶體的激光損傷閾值在過(guò)飽和度σ=0.04和σ=0.06時(shí)，分別達(dá)到最大值和最小值，