高品质金红石单晶体的生长及微观缺陷控制研究

Rutile crystals have been used extensively in modern information technology. However, production of high quality rutile single crystals is still a difficult problem due to the lack of fundamental theoretical research. Especially in our country, the rutile crystals used rely completely on imports. Based on the commonly used Verneuil method, the present project will carry out fundamental research on the growth kinetics of crystals and mechanisms of formation and evolution of defects, including oxygen vacancy, dislocations, low angle grain boundaries, twin boundaries, Magnél phase, and porosities. The effect of solid-liquid interface structure, interface migration mechanism, internal structure of the molten phase, and the growth environment on defects formation will be studied. In order to solve the problem of unreasonable design of burner and growth chamber in the present Verneuil furnace in our country, the structure of burner and growth chamber will be optimized based on the theoretical analysis of fluid mechanics, combustion, heat transformation and computational fluid mechanics. It is expected that the oxygen partial pressure, temperature filed, growth rate, and the status of molten phase can be monitored and precisely controlled, realizing the purpose of the control of growth kinetics and reduction of crystal defects. The present project will establish the theoretical and technical basis for the growth of rutile single crystals, and has important theoretical and practical meanings.

金红石单晶体在现代电子信息技术领域的应用越来越广泛，然而，高品质金红石晶体的生长技术仍然是国际上的难题, 相关基础研究理论匮乏, 特别是我国金红石晶体完全依靠进口。本项目基于常用的焰熔法，对金红石晶体生长动力学、缺陷（氧空位、位错、小角晶界、孪晶界、Magnél相、气孔夹杂等）的形成、演变及控制方法开展基础研究；建立缺陷的形成与固-液界面结构、迁移动力学机制、熔体内部结构特性及生长环境等的内在科学关系。同时，针对我国现有焰熔法生产设备存在的燃烧器和生长室结构的设计不合理的问题，基于流体力学、燃烧学、传热学和计算流体力学的理论分析，优化焰熔法燃烧器和生长室的结构，实现对氧分压、温度场、生长速度、生长界面与熔体状态等的全时监测和精确控制，达到精确调控晶体生长动力学的目的，有效解决晶体中缺陷密度高的难题。本项目可为高品质金红石单晶体的生长建立理论和技术基础，具有重要的理论和实际意义。

金红石单晶体以其独特的物理化学特性在光学通讯、新型清洁能源与储能、光学元器件等领域具有重要应用，但因其熔点高，化学活性大，且在高温为非化学计量比材料，晶体生长过程中极易形成各种缺陷，高品质的金红石晶体的生长一直是国际上的难题。目前，我国使用的金红石单晶体还依靠进口，关于金红石单晶体生长工艺、晶体内缺陷的形成机理和控制研究报道较少。.本项目针对金红石单晶体生长过程中微观缺陷控制这一难题开展基础研究，从缺陷的形成机制、演变过程及控制方法等基础科学问题入手，同时基于流体力学、燃烧学、传热学和计算流体力学的理论分析，优化焰熔法燃烧器和生长室的结构，实现对晶体生长动力学的精确控制，解决晶体中缺陷密度高的难题，为高品质金红石单晶体的生长建立理论和技术基础。.针对商业化TiO2粉体无法满足金红石晶体生长的现状，研制出纯度达99.95%、粒度-200目~+400目、流动性好的金红石专用粉体。开发出原料供应、气体供应、生长速度等全部工艺参数实现触摸屏精密控制的数控焰熔法气体生长炉和专用三管燃烧器，为精密控制晶体的生长过程和缺陷控制提供了设备基础。.研究发现，金红石高温熔体由于化学活性大且为非化学计量比，氢氧焰气氛对熔体形成、熔体结晶和晶体生长影响很大。进而明确了晶体在环境气氛中的氧化还原特性是导致各种缺陷形成和演变的主要根源。揭示了晶体生长缺陷的形成机制，为通过同时控制温度分布和气氛分布控制晶体生长和缺陷形成和演变提供理论依据。建立了基于纯氧条件下晶体生长过程的工艺模型，实现了晶体生长缺陷的有效控制，最终生长出高品质、缺陷少的金红石晶体。本项目研制的金红石晶体填补了国内的空白，具有重要的理论意义和应用前景。