《高品質金紅石單晶體的生長及微觀缺陷控制研究》是依託東北大學，由孫旭東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高品質金紅石單晶體的生長及微觀缺陷控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：孫旭東
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
金紅石單晶體在現代電子信息技術領域的套用越來越廣泛，然而，高品質金紅石晶體的生長技術仍然是國際上的難題, 相關基礎研究理論匱乏, 特別是我國金紅石晶體完全依靠進口。本項目基於常用的焰熔法，對金紅石晶體生長動力學、缺陷（氧空位、位錯、小角晶界、孿晶界、Magnél相、氣孔夾雜等）的形成、演變及控制方法開展基礎研究；建立缺陷的形成與固-液界面結構、遷移動力學機制、熔體內部結構特性及生長環境等的內在科學關係。同時，針對我國現有焰熔法生產設備存在的燃燒器和生長室結構的設計不合理的問題，基於流體力學、燃燒學、傳熱學和計算流體力學的理論分析，最佳化焰熔法燃燒器和生長室的結構，實現對氧分壓、溫度場、生長速度、生長界面與熔體狀態等的全時監測和精確控制，達到精確調控晶體生長動力學的目的，有效解決晶體中缺陷密度高的難題。本項目可為高品質金紅石單晶體的生長建立理論和技術基礎，具有重要的理論和實際意義。
結題摘要
金紅石單晶體以其獨特的物理化學特性在光學通訊、新型清潔能源與儲能、光學元器件等領域具有重要套用，但因其熔點高，化學活性大，且在高溫為非化學計量比材料，晶體生長過程中極易形成各種缺陷，高品質的金紅石晶體的生長一直是國際上的難題。目前，我國使用的金紅石單晶體還依靠進口，關於金紅石單晶體生長工藝、晶體內缺陷的形成機理和控制研究報導較少。 本項目針對金紅石單晶體生長過程中微觀缺陷控制這一難題開展基礎研究，從缺陷的形成機制、演變過程及控制方法等基礎科學問題入手，同時基於流體力學、燃燒學、傳熱學和計算流體力學的理論分析，最佳化焰熔法燃燒器和生長室的結構，實現對晶體生長動力學的精確控制，解決晶體中缺陷密度高的難題，為高品質金紅石單晶體的生長建立理論和技術基礎。 針對商業化TiO2粉體無法滿足金紅石晶體生長的現狀，研製出純度達99.95%、粒度-200目~+400目、流動性好的金紅石專用粉體。開發出原料供應、氣體供應、生長速度等全部工藝參數實現觸控螢幕精密控制的數控焰熔法氣體生長爐和專用三管燃燒器，為精密控制晶體的生長過程和缺陷控制提供了設備基礎。 研究發現，金紅石高溫熔體由於化學活性大且為非化學計量比，氫氧焰氣氛對熔體形成、熔體結晶和晶體生長影響很大。進而明確了晶體在環境氣氛中的氧化還原特性是導致各種缺陷形成和演變的主要根源。揭示了晶體生長缺陷的形成機制，為通過同時控制溫度分布和氣氛分布控制晶體生長和缺陷形成和演變提供理論依據。建立了基於純氧條件下晶體生長過程的工藝模型，實現了晶體生長缺陷的有效控制，最終生長出高品質、缺陷少的金紅石晶體。本項目研製的金紅石晶體填補了國內的空白，具有重要的理論意義和套用前景。
