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人工晶体学报
中材人工晶体研究院
人工晶体学报

中材人工晶体研究院

沈德忠

月刊

1000-985X

jtxbbjb@126.com

010-65491290；65492963

100018

北京朝阳区红松园1号中材人工晶体研究院，北京733信箱

人工晶体学报/Journal Journal of Synthetic CrystalsCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊报道我国在半导体材料、光电子材料、纳米材料、薄膜材料和超硬材料等领域在理论研究、生长技术、性能、品质鉴定、原料制备，以及应用技术和加工等方面的科研成果，同时介绍国内外晶体材料的发展动态与学术交流活动。学报是我国从事人工晶体研究人员与国外同行交流的一个重要窗口。
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    4H-SiC基功率器件的high-k栅介质材料研究进展

    刘帅宋立辉杨德仁皮孝东...
    2027-2042页
    查看更多>>摘要：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为碳化硅绝缘栅结构的典型器件被广泛使用，然而SiO2介电常数低的缺点和SiO2/4H-SiC界面特性差的问题一直制约着4H-SiC绝缘栅结构(金属-绝缘体-半导体，MIS)器件更大规模商业化应用，因此科研工作者一直致力于寻找能够替代或弥补SiO2的high-k栅介质材料。本文对该科学问题的研究现状进行综述，首先指出合适的high-k栅介质材料应该拥有较宽的禁带宽度、较高的介电常数、良好的界面特性和热稳定性。然后，主要从栅薄膜制备工艺、沉积温度、栅介质界面特性和电学性能等方面对典型high-k栅介质材料的研究结果进行评价，包括氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化钇(Y2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化镧(La2O3)、五氧化二钽(Ta2O5)、钛酸钡(BaTiO3)、氧化钬(Ho2O3)和由它们组合而成的堆栈栅介质。最后，对未来该领域的研究方向进行了展望和建议，例如对栅漏电流机理的研究、对新材料的更多尝试、器件在极端环境下的可靠性问题等。

    4H-SiCMOS电容器high-k栅介质材料堆栈栅介质界面特性电学性能

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    Lu2O3基激光透明陶瓷的研究进展

    赵文海陶世旭童思意唐健...
    2043-2058页
    查看更多>>摘要：倍半氧化物Lu2O3因具有优异的热力学性能、低声子能量和强晶体场等特点，成为近红外和中红外光谱(1～3 µm)范围内的宽带发射高功率激光基体材料的优秀候选者之一，近年来受到人们的广泛关注。Lu2O3的熔点高达2 450 ℃，单晶生长极为困难，限制了其应用发展。但Lu2O3属于立方晶系，具有光学各向同性，因此制备Lu2O3基透明陶瓷成为一种可行的方案。透明陶瓷可以在较低的温度下(晶体熔点的60％～80％)烧结制备大尺寸样品，同时烧结周期相较于晶体生长周期大幅缩减，更有利于大量生产，因此制备Lu2O3基透明陶瓷作为新型激光介质材料更有潜力被广泛应用于科学研究、工业生产和日常生活。本文总结了基于稀土离子(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+)掺杂的Lu2O3基激光透明陶瓷的制备工艺及其性能参数的最新研究进展。未来，Lu2O3基激光陶瓷的开发将聚焦在大尺寸、高功率输出、低散射特性、高热稳定性、复合结构设计等方面以推动高性能固体激光器的发展。

    透明陶瓷Lu2O3激光陶瓷倍半氧化物固体激光器激光增益介质

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    Er,Na∶CaF2透明陶瓷的制备与光谱性能研究

    甘世雁梅炳初李威威
    2059-2065页
    查看更多>>摘要：采用真空热压法制备Er3+、Na+共掺杂CaF2透明陶瓷(直径为16 mm，样品厚度为3 mm)，Er3+掺杂浓度为3％，Na+掺杂浓度为0、0。5％、1。0％、1。5％和2。0％。所得Er，Na∶CaF2粉体颗粒为球形，平均粒径在28～36 nm。本文研究了 Na+掺杂对Er3+∶CaF2透明陶瓷透过率、显微结构和光谱性能的影响。所有陶瓷样品在波长1 000 nm处的透过率均高于84％。结果表明，在Er3+∶CaF2透明陶瓷中引入Na+后，形成了电荷中和的Er3+-Na+结构，阻止了 Er3+的团簇。通过调节Na+的浓度可以调控CaF2透明陶瓷中Er3+在1。5和2。7μm处的发射光谱，近红外1。5 μm处的荧光寿命随着Na+浓度的增加而增加，最高可达56。75 ms。

    铒掺杂氟化钙Na+掺杂透明陶瓷透过率光谱调控荧光寿命

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    热障涂层用(Sm0.5Yb0.5)3TaO7陶瓷的热物理性能

    郭怡牛苗苗
    2066-2072页
    查看更多>>摘要：为开发性能优异的新型热障涂层表面陶瓷层材料，探索Yb掺杂对Sm3TaO7热物理性能的影响，采用高温固相反应法，成功制备了(Sm0。5Yb0。5)3TaO7陶瓷，并对其晶体结构、微观结构、元素含量、热物理和高温相稳定性能进行了研究。结果表明，制备的(Sm0。5Yb0。5)3TaO7陶瓷具有单一焦绿石结构，致密的显微组织，制备过程中无元素损失现象发生。元素掺杂增加了声子散射程度，(Sm0。5Yb0。5)3TaO7热导率明显降低，其高温热导率仅为1。02 W/(m·K)，远低于Sm3TaO7和Yb3TaO7的1。31 W/(m·K)和1。14 W/(m·K)。由于掺杂离子Yb3+较低的电负性，其在1 300℃时的热膨胀系数为9。92×10-6 K-1，热膨胀系数明显高于Sm3TaO7，与YSZ和La2Zr2O7的热膨胀系数在同一数量级。其热导率和热膨胀系数满足热障涂层的要求，在室温至1 300℃表现出良好的高温相稳定性能。

    稀土钽酸盐声子散射热物理性能热障涂层热导率

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    GAGG∶Ce闪烁晶体光输出的温度特性研究

    万前银王强刘双全黄先超...
    2073-2078页
    查看更多>>摘要：闪烁晶体的光输出性能会受到晶体温度的影响。掺铈钆镓铝石榴石(Gd3(Ga，Al)5O12∶Ce，GAGG∶Ce)闪烁晶体在医学成像、辐射监测、高能物理等领域应用广泛。为研究GAGG∶Ce晶体光输出的温度特性，本文设计了晶体温度为单一变量的实验，测量了 GAGG∶Ce晶体在-30～60 ℃、121。8～1 112。1 keV的7个能量γ射线的全能峰峰位随温度的变化，得到了 GAGG∶Ce晶体光输出随温度的变化曲线，并分析了晶体光输出与温度的线性关系;采用一次函数拟合了不同温度下121。8～1 112。1 keV的7个能量与γ谱线相应道址的能量线性，其线性拟合的决定系数R2大于0。999 9，证明了 GAGG∶Ce晶体具备良好的能量线性。

    闪烁晶体GAGG∶Ce温度响应光输出能量线性

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    原位热处理对碲锌镉晶体质量和性能的影响

    王坤元梁小燕闵嘉华张继军...
    2079-2084页
    查看更多>>摘要：Te夹杂是碲锌镉(CdZnTe，CZT)晶体中的一种常见缺陷。本研究旨在通过改进移动加热器法(THM)生长CZT晶体的工艺参数和设计原位热处理方案，以减少晶体中Te夹杂的数量和尺寸，从而优化CZT晶体的质量和性能。综合考虑了晶体生长速度、生长温度、富Te料的配比及温场之间的相互影响，对工艺参数进行了优化。研究基于Te在不同温度下的溶解度差异，选择800℃作为CZT晶体的生长温度，设计了高温溶解-低温脱溶的原位热处理方案，在860℃下进行长时间恒温退火，以最大限度地吸收Te夹杂，并采用快速降温以减小大尺寸Te夹杂的数量。结果显示，相较于未经过原位热处理的CZT晶体，经过原位热处理的CZT晶体大尺寸Te夹杂显著减少，小尺寸Te夹杂的浓度有所增加，杂质缺陷和Te间隙(Tei)减少，但Te反位(TeCd2+)浓度有所增加。电流-电压特性测试和能谱响应测试结果表明，经原位热处理的CZT晶体具有较高的电阻率和更优的能量分辨率。

    碲锌镉移动加热器法晶体生长原位热处理Te夹杂

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    自支撑金刚石厚膜三方向三点弯曲断裂韧性对比研究

    罗晓航许光宇李利军张永康...
    2085-2093页
    查看更多>>摘要：采用直流电弧等离子体喷射和微波等离子体化学气相沉积法制备了三片直径为125 mm、厚度大于1 mm的自支撑金刚石膜。通过SEM、XRD、Raman、CT等检测手段对样品进行了形貌、物相表征，进一步通过激光预制裂纹方法研究了缺陷和晶粒尺寸对生长面、形核面及侧面三个方向断裂韧性的影响。结果表明，在金刚石薄膜沉积过程中，许多缺陷(包括孔隙)被引入薄膜中，特别是较厚膜中靠近生长面一侧的孔隙尺寸可以达到微米级，这会影响不同方向载荷下的断裂韧性。由于近生长面的晶粒尺寸最小，自支撑金刚石膜在生长面形成的裂纹具有最大断裂韧性，分别为7。8、8。3和9。2 MPa·m1/2。对于较薄的样品，侧面裂纹的断裂韧性介于生长面和形核面之间，这与晶粒尺寸关系一致，表明断裂韧性受晶粒尺寸的影响。然而，当厚度超过0。8 mm时，生长侧附近的孔隙数量会增加，导致较厚的金刚石薄膜的断裂韧性最小(5。4 MPa·m1/2)。本研究为金刚石上施加载荷方向的选择提供了指导。

    金刚石厚膜断裂韧性CVD研磨缺陷晶粒尺寸

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    金刚石在富氧环境下的高效抛光及其材料去除机制研究

    刘帅伟关春龙鲁云祥易剑...
    2094-2103页
    查看更多>>摘要：金刚石独特的性能使其成为声、光、电、热等领域非常理想的应用材料，但其极低的材料去除率导致其加工时间极长，如何在保证抛光质量的前提下提高抛光效率一直是金刚石加工领域的热门课题。本文对常规环境与富氧环境下用金刚石砂轮抛光多晶金刚石进行了对比实验，发现在富氧环境下材料的抛光去除率达2。29 μm/h，是常规环境下抛光去除率0。25 µm/h的9倍以上，且表面质量良好。原子力显微镜表征结果表明，在30 µm×30 µm的测量范围内，富氧环境下抛光后的金刚石表面粗糙度Sa可达2 nm以下，SEM和TEM观测未发现明显的结构损伤。此外，借助XPS分析了金刚石抛光加工过程中的材料去除机制，发现在抛光加工过程中，金刚石在机械作用下表面会发生从sp3到sp2结构的相变，形成的相变层在机械和氧气的作用下被去除。同时发现在富氧环境下，相变层可以更快地被去除，说明氧化在金刚石材料去除过程中扮演着更重要的角色。

    金刚石抛光富氧环境材料去除率去除机制氧化

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    高压下4H-SiC结构、电子和光学性质的理论研究

    张盼庞国旺尹伟马亚斌...
    2104-2112页
    查看更多>>摘要：本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对高压下4H-SiC的晶体结构、电子特性及光学性能进行了研究。通过分析不同压力条件下4H-SiC的相对体积、Si—C键长及结构能量的变化，发现该结构在70 GPa以内的压力范围内未发生结构相变;大于70 GPa的压力时，具有金属相的RS结构在能量上更具有稳定性。进一步的研究表明，随着压力的不断增加，4H-SiC作为半导体的带隙值呈现增大趋势。同时，其光学性能，包括吸收特性、介电函数和折射率等，均发生了显著变化，揭示了压力在调节4H-SiC电子与光学性质方面具有巨大潜力。本文的研究不仅证实了 4H-SiC在高压极端条件下仍具备优异的物理性能和应用潜力，还为其在高压光电材料领域的应用提供了新的理论依据。

    高压4H-SiC晶体结构电子性质光学性质第一性原理计算

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    La掺杂WC(0001)/Co(111)界面结合强度、稳定性和电子结构的第一性原理研究

    张好强曹幸飞吴昱鑫张舵...
    2113-2123页
    查看更多>>摘要：WC/Co硬质合金的界面结合强度取决于其界面性质。本文运用基于密度泛函理论的第一性原理，构建了 6种WC(0001)/Co(111)界面模型，在此基础上，从电荷转移、成键方式和价电子分布等角度分析了 La掺杂对WC(0001)/Co(111)界面稳定性最弱和界面稳定性最强模型的影响机理。结果表明:在6种界面模型中，稳定性最弱的是W-OT-Co界面，有最大的界面距离、最小的黏附功和最高的界面能，裂纹倾向于出现在界面;稳定性最强的是C-HCP-Co界面，有最小的界面距离、最大的黏附功和最小的界面能，裂纹倾向于出现在基体;当稀土 La分别替换W-OT-Co模型Co侧第二层的Co原子，以及C-HCP-Co模型WC侧第二层的W原子时，两个界面距离才会都变小、黏附功都增大，但强化界面效果不同;掺杂稀土 La后，W-OT-Co界面的键合方式为弱离子键和金属键的结合，C-HCP-Co界面的键合方式为强共价键、离子键和金属键的结合，界面更稳定;La在稳定堆积构型C-HCP-Co上的最优掺杂位点将显著提高WC/Co硬质合金的界面结合强度。

    第一性原理WC/Co界面La掺杂结合强度电子结构断裂韧性

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