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

1、隨著慣性約束核聚變(Inertial Confinement Fusion，ICF)工程的發(fā)展，人們對KDP晶體的需求、質(zhì)量、生長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”。“快速”:可以提供工程上所需要的KDP晶片數(shù)量，縮短生長周期，降低成本。“大尺寸”:可以滿足ICF系統(tǒng)裝置中對晶體尺寸的要求。“高質(zhì)量”:可以達到ICF裝置對KDP晶體性能要求的指標，如高的激光損傷閾值、高的透過率、高的光學(xué)均勻性等。近年來，人們對

2、KDP晶體的研究主要在生長工藝、光學(xué)質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)等方面。我們認為要從根本上提高KDP晶體的生長速度、光學(xué)性能，應(yīng)該對晶體生長的微觀形貌以及生長機制進行研究。
　　作為經(jīng)典的水溶液生長晶體，溫度、過飽和度、雜質(zhì)、pH等介質(zhì)環(huán)境對KDP晶體的生長習(xí)性、光學(xué)質(zhì)量等都有著重要的影響。因此，本文主要選擇通過改變生長溶液的飽和溫度、過飽和度、pH值，以及通過摻雜金屬離子雜質(zhì)、有機添加劑的方式，來研究各種介質(zhì)因素對KDP晶體生長臺階的微觀形貌

3、、生長速度的影響，對不同條件下生長所得的晶體進行激光損傷閾值的測試，并對其影響機理進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，不同的過飽和度下生長了KDP晶體，測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。通過激光偏振干涉系統(tǒng)實時測量了在不同溫度下，KDP晶體的生長速度與過飽和度之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明:在低溫度區(qū)域(～35℃)下，晶體表面生長臺階在低過飽和度(

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

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

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

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

8、溫度、過飽和度下對KDP晶體生長習(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)表面生長臺階的微觀形貌和生長速度。實驗結(jié)果表明:利用傳統(tǒng)降溫法生長的KDP晶體，隨著溶液中Fe3+摻雜濃度的升高，臺階的聚并程度和斜率都增大，臺階分布的均勻性下降，生長死區(qū)變大，生長速度降低。當Fe3+濃度為30ppm時，在不同飽和溫度的溶液中，KDP晶體的生長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，KDP晶體的臺階的聚并程度只有在低過飽和度(σ=0.02)時高于未摻雜的情況。此時臺階非常直，生長均勻，并且在寬的臺階陣列上明顯分布著許多基本臺階。當Fe3+濃度為30ppm時，臺階的聚并程度隨過飽和度的升高而增大，在相同的過飽和度下都大于未摻雜時的情況。當Fe3+濃度為50ppm時，在低過飽和度下，臺階的聚并非常高;在高的過

10、飽和度下，臺階扭折增多，變大。
　　3.在溶液中加入100ppm、500ppm的有機添加劑CDTA，采用點籽晶快速法生長了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KDP晶體表面生長臺階微觀形貌的影響，通過激光偏振干涉技術(shù)測量KDP晶體在摻雜不同濃度CDTA溶液中的臺階推移速度。實驗結(jié)果表明:CDTA并沒有進入KDP晶體內(nèi)部，CDTA對晶體生長的作用主要發(fā)生在溶液中的生長基元向晶體擴散的過程中。有機添加劑C

11、DTA對KDP晶體生長習(xí)性的影響可以分為積極和消極兩個方面。當溶液中添加適量濃度的CDTA時，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。生長溶液中，雜質(zhì)的減少，使得晶體生長的表面變得非?！案蓛簟?，雜質(zhì)對生長臺階的釘扎效果降低，甚至消失。此時晶體表面生長臺階的聚并程度急劇降低，主要以基本臺階為主，臺階的推移速度也得到大幅度的提高。當溶液中加入過量的CDTA時，其與溶液中的金屬雜質(zhì)離子形成螯合物之后，多余的CDTA會通

12、過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程中，當其沉積在臺階陣列上時，大的有機分子會形成“山包”，這些“山包”不僅會吸附K+、H2PO4-等生長基元，使其難以擴散，而且也會阻礙生長臺階在晶體表面的推移，此時臺階的聚并程度會有所增加，生長速度也相應(yīng)的減慢。另外，當加入過量的CDTA時，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

13、籽晶快速法在不同pH值的溶液中，生長了KDP晶體，利用原子力顯微鏡觀察晶體(100)面的微觀形貌和臺階結(jié)構(gòu)，通過激光偏振干涉技術(shù)測量了KDP晶體在不同pH溶液中的生長速度，同時對生長的KDP晶體進行了激光損傷閾值的測試。實驗結(jié)果表明:在低過飽和度(σ=0.01)下，KDP晶體表面生長臺階的聚并程度隨著pH值的降低而減小，尤其是pH=3.5時，生長臺階以基本臺階為主。當溶液的pH值偏離正常值(pH=4.2)時，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，晶體表面生長臺階上出現(xiàn)突起，這些突起隨著過飽和度的增加而變大。晶體的激光損傷閾值先增加后降低，在過飽和度σ=0.04時，達到最大值，約為21J/cm2。調(diào)低溶液的pH值到3.5時，隨著過飽和度的增加，晶體的生長方式不僅存在螺旋位錯臺階同時也存在二維成核生長機制，生長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飽和度σ=0.04和σ=0.06時，分別達到最大值和最小值，