一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法

本发明属于晶体制备，具体地说，是涉及一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法。

背景技术：

1、溶液晶体生长是制备晶体材料的一种重要方法，也是目前生长大口径非线性光学晶体的唯一方法。溶液晶体生长过程中，对流物质输运是晶体生长的重要环节，直接影响晶体的生长速率和生长质量。对流一方面可显著提高晶/液相界面的物质输运，让晶体的生长速率有数量级的提升[1]；另一方面对流可诱发包裹物缺陷产生[2]，使得晶体的性能或使用寿命下降[3]。在实际晶体生长过程中，通过晶体作相对运动，产生强制对流，强化生长界面传质过程，是实现晶体快速生长的必要措施之一。但是，研究表明不同运动方式下，晶面受到的水动力学条件不同，晶体的生长质量存在明显的差异。设计出既可充分利用对流的强化传质效果，又可避免对流不利影响的晶体生长方式是快速生长出高质量晶体的关键所在。

2、溶液晶体生长是伴随着邻位台阶在晶面铺展，形成一层一层的晶面进行的。大量的研究表明，对流对晶体生长质量的影响实质是对流物质输运影响了晶面的形貌稳定性。晶面形貌失稳将诱发液相包裹物形成，最终导致晶体质量下降[4]。可见，晶面形貌稳定性对晶体质量起着起定性作用。

3、晶体生长的台阶高度约为几纳米至几十微米，常规的形貌观察和分析需要借助光学或原子力显微镜。由于晶体的高速运动，基于现有技术手段，晶面形貌的实时观测难以实现。从而使得晶体运动特征与晶面形貌稳定之间的关系目前尚未建立。在实际晶体生长中，晶体运动方式的设计和调节现阶段主要还是靠经验。因此，为了生长出高质量的晶体，尤其是应用于惯性约束核聚变的大尺寸高质量非线性光学晶体，亟须建立一套可指导晶体运动方式设计的晶体质量预测方法。

4、现有技术利用光学技术，快速测量晶体溶液过饱和度的技术，可与溶液晶体生长装置结合，应用于晶体生长。该技术可作为晶体生长的一个补充手段，难以实现对晶体质量的预测。

5、另一种是利用激光移相干涉系统测量晶体生长表面微观结构的方法。该方法利用设计的系统可实现对静止晶面的表面微观结构进行观测。对于实际晶体生长，需将晶体静止后才能进行观察；但是，这一过程会改变晶面的水动力学条件，也会对晶面形貌产生影响，所观察的形貌可能会与实际水动力学条件下的晶面形貌有差异。同时，申请文本也指出，要准确观察对容器材料质有特定要求，限制了其进一步的应用。

6、[1].wilcox w r.influence of convection on the growth of crystals fromsolution[j].journal of crystal growth,1983,65(1-3):133-142.

7、[2].vekilov p g,alexander j id,rosenberger f.nonlinear response oflayer growth dynamics in the mixed kinetics-bulk-transport regime[j].physicalreview e,1996,54(6):6650.

8、[3].woods b w,runkel m j,yan m,et al.investigations of laser damagein kdp using light-scattering techniques[c]//laser-induced damage in opticalmaterials:1996.international society for optics and photonics,1997,2966:20-31.

9、[4].van enckevort w j p,janssen-van rosmalen r,klapper h,et al.growthphenomena of kdp crystals in relation to the internal structure[j].journal ofcrystal growth,1982,60(1):67-78。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，主要解决现有晶体生长质量难以预测，运动方式设计无依据的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，包括以下步骤：

4、s1，创建晶体生长系统三维物理模型，并对三维物理模型进行网格离散化，相邻离散点距离设为l；

5、s2，基于cfd方法仿真模拟，对三维物理模型进行求解，获得晶面溶质浓度场；

6、s3，提取晶面溶质浓度场数据，根据台阶推移动力学模型，对台阶列在晶面的推移过程进行模拟，获得晶面一系列台阶列；

7、s4，根据晶面台阶列的相邻台阶间距和弯曲程度对晶面台阶列形貌稳定性进行分析；判断晶面形貌是否稳定；

8、s5，若得出晶面形貌稳定结论，则表示给定的运动模式符合要求，能保证高质量晶体的生长；若得出晶面形貌失稳结论，则重新给定运动方式，按步骤s1-s4重新进行评估。

9、进一步地，在所述步骤s2中，cfd方法仿真模拟中流体流动用n-s方程进行描述；生长涉及的传质过程应用组分输运方程进行描述；其中，晶体表面涉及的溶质消耗速率通过公式为：

10、m＝(ρs-ρ0ce)r

11、式中，ρs为为晶体密度，ρ0为溶液密度，ce为晶体材料溶解度，r为生长常数，由晶体的生长速率决定，取值范围0-1。

12、进一步地，在所述步骤s3中，获得晶面一系列台阶列的具体步骤如下：

13、s31，设定初始直台阶列和时间间隔t和台阶推移速度大小v；其中，

14、v＝βs*σs

15、式中，βs为台阶动力学系数，取值范围0-1；σs为台阶所在位置的晶面过饱和度值；

16、s32，将由若干点组成的直台阶列离散中的两点间距设为1/5-1/3l；

17、s33，使台阶列上各点的移动距离等于v*t，移动方向为离散点所在的法向方向，即获得晶面一系列台阶列。

18、进一步地，在所述步骤s4中，判断晶面形貌是否稳定的方法为：

19、若随着时间的推移，台阶列间距逐步减小，则代表晶面存在台阶纵向失移；若随着时间的推移，台阶列发生弯曲且存在“凹”形区域，则代表台阶存在横向失移；存在上述情况之一，则得出晶面存在形貌失稳问题；若上述两情况都不存在都判断晶面稳定。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明可以对给定生长环境和运动方式下，直接对晶面形貌稳定性进行分析，预测是否会发生形貌失稳现象。

22、(2)本发明基于预测结果可直接指导晶体生长运动方式的设计，从而解决现有晶体运动设计无依据支撑，凭经验或感觉的行业现状。

技术特征：

1.一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，其特征在于，在所述步骤s2中，cfd方法仿真模拟中流体流动用n-s方程进行描述；生长涉及的传质过程应用组分输运方程进行描述；其中，晶体表面涉及的溶质消耗速率通过公式为：

3.根据权利要求2所述的一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，其特征在于，在所述步骤s3中，获得晶面一系列台阶列的具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，其特征在于，在所述步骤s4中，判断晶面形貌是否稳定的方法为：

技术总结本发明公开了一种溶液晶体生长质量预测及运动控制方法，主要解决现有晶体生长质量难以预测，运动方式设计无依据的问题。包括以下步骤：S1，创建晶体生长系统三维物理模型，并对三维物理模型进行网格离散化，相邻离散点距离设为L；S2，获得晶面溶质浓度场；S3，获得晶面一系列台阶列；S4，根据晶面台阶列的相邻台阶间距和弯曲程度对晶面台阶列形貌稳定性进行分析；判断晶面形貌是否稳定；S5，若得出晶面形貌稳定结论，则表示给定的运动模式符合要求，能保证高质量晶体的生长；若得出晶面形貌失稳结论，则重新给定运动方式，按步骤S1‑S4重新进行评估。本发明可以对给定生长环境和运动方式下，直接对晶面形貌稳定性进行分析，预测是否会发生形貌失稳现象。技术研发人员：周川,李明伟,尹华伟,刘杭,杜阳晔受保护的技术使用者：宜宾学院技术研发日：技术公布日：2025/1/6