浮力对流对KH2PO4晶体薄表面层生长的影响

肖林海 胡志涛 王鹏飞

(重庆大学动力工程学院， 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室， 重庆 400044)

浮力对流对KH2PO4晶体薄表面层生长的影响

肖林海 胡志涛 王鹏飞

(重庆大学动力工程学院， 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室， 重庆 400044)

通过对Z切片等多种非完整形态下KH2PO4晶体生长薄表面层的实时观察，发现薄表面层的生长与浮力对流导致的溶液过饱和度梯度之间存在密切联系。晶体棱边处的过饱和度往往高于晶面内部，使得处于该条件下的非完整形态晶体的棱边可在后续生长过程中产生薄表面层，进而恢复晶体的完整形态。棱边处拥有的“过饱和度优势”是其产生薄表面层的先决条件，若棱边处于“过饱和度劣势”，则薄表面层生长必然受到抑制。合理利用浮力对流，可使用非完整的Z切片籽晶生长KDP晶体，以节约晶体材料。

KH2PO4晶体； 薄表面层； 浮力对流； 过饱和度优势

KH2PO4晶体 (KDP)是一种具有非线性光学性能的晶体材料，可实现激光二倍频和三倍频[1]，常应用于惯性约束激光核聚变实验。目前国际上兴起的KDP晶体点籽晶快速生长方法日趋成熟[2]，但传统的Z切片生长方式仍是获得大尺寸KDP晶体的主要方式[3]。Z切片籽晶在成帽过程中以薄表面层的形式恢复晶体的完整形态[4]，该生长机制与奇异面层状生长机制完全不同[5]，且会影响后续生长晶体的质量[3]。

非完整形态的KDP、ADP[6]和尿素[7]等晶体往往以薄表面层的形式恢复完整形态，薄表面层生长应被视为一种奇特的成核机制。许多学者认为，薄表面生长与液体包裹物的产生有直接联系[8]，因而研究薄表面层生长习性意义重大。薄表面层没有依附于原有晶面，相对层状生长明显增加了界面能，晶体未以吉布斯自由能最小的方式恢复完整形态，这些现象一直未能得到合理解释[2，9]。

2001年，Zaitseva和Carman等人提出了“棱边生长机制”[2，9]，以解释{101}锥面内的凹角产生薄表面层的现象。随后，Teng等人研究了{100}柱面内薄表面层生长现象[8]。但受限于切割方式，不能说明该薄表面层形成机制与Zaitseva和Carman等人提出的“棱边生长机制”是否相同。近年来，邓伟等人采用“涂覆法”观测KDP晶体Z切片薄表面层形成和生长特性，提出棱边是薄表面层产生的前提[12]。程高等人研究了棱角对ADP晶体Z切片薄表面层生长影响，提出棱角是薄表面层的生长源，薄表面层起源于此后沿棱边生长形成[13]。目前，有部分学者认为，薄表面层的产生缘于棱边处的过饱和度高于晶面内部，但该结论并未经过严格的实验予以验证。

若使非完整形态的KDP晶体在浮力对流条件下生长，可明显增加棱边处的过饱和度梯度。本次研究中，通过调整晶体的摆放方式，分别使棱边处于较低与较高的过饱和度区域，分析薄表面层生长特点，并验证薄表面层的生长是否依赖于棱边处的“过饱和度优势”。

1 实验过程

实验大概过程是：将特纯级KH2PO4原料(Sinopharm Chemical Reagent Co.，Ltd.，纯度高于99.9%)溶于超纯水(HITECH Laboratory Water Purification Systems，电阻率18.2 MΩ)，经0.2 μm孔径滤膜过滤，再经水浴中过热24 h，最终得到实验所用KDP溶液。通过称重法实测数据计算溶解度：

S= 6.02×10-3·T2+0.208·T+mV

(1)

式中：S—— 溶解度，温度T下100 mL水中溶解的KDP质量；

T—— 温度；

m—— KDP的质量；

V—— H2O的体积。

过饱和度表示为：

σ= (C-C0)C0

(2)

式中：σ—— 过饱和度；

C0—— 温度T下的平衡浓度；

C—— 实际浓度。

实验所需的非完整形态KDP晶体样品，采用沈阳科晶自动化设备有限公司生产的金刚石线切割机STX-202A切割而成，金刚石线直径为0.3 mm，切割速度为0.3 mmmin，切割后的样品用无水乙醇清洗。

2 实验结果讨论

2.1 Z切片薄表面层生长实验

2.1.1 倾斜条件下Z切片薄表面层生长实验

如图1(a)所示，将Z切片倾斜10°放置，晶棱BC、AD边均平行于水平方向，使得Z切片(001)面的A、D棱角水平高度高于B、C棱角，Z切片尺寸为2.2 cm×1.7 cm。晶体经预热后，置于34.5℃下过饱和度1%的溶液中，观察薄表面层生长过程。

图1 Z切片薄表面层生长实验

在生长初期，明显观察到(001)面由大量的小晶锥覆盖，一段时间后4个棱角处均产生薄表面层。棱角B、C处产生的薄表面层生长速度略快于棱角A、D处产生的薄表面层，但并不明显，4 h后的生长结果如图1(b)所示。较小的Z切片尺寸、较低的过饱和度及较小的倾斜角度只能产生微弱的浮力对流。接下来增大倾斜角度，并选用较大尺寸的Z切片进行实验，可以观察薄表面层生长现象是否发生明显变化。

2.1.2 非完整的Z切片薄表面层生长实验

使用Z切片籽晶生长KDP晶体往往发现薄表面层悬垂生长，最终完成成帽过程[14]。若非完整的Z切片可借助该特点完成成帽过程，可节约籽晶材料。如图2(a)所示，沿对角线切割Z切片，Z切片仅剩下正常棱角B及棱边AB、BC。

图2 正托三角形Z切片薄表面层生长实验示意图

如图2(c)所示，将Z切片放置于托盘上，(001)面竖直向上。晶体经预热之后置于30 ℃下8%过饱和度的溶液中，一段时间后发现其成帽阶段因缺失正常棱角以及棱边而变得困难，薄表面层仅能够在棱角B处产生沿棱边AB、BC生长，如图2(d)所示。可见，三角形Z切片在该浮力对流条件下不能顺利完成成帽过程。

图3 倒托三角形Z切片薄表面层生长实验示意图

2.2 {100}柱面内的凹角生长薄表面层实验

以上实验表明，薄表面层的生长过程与浮力对流密切相关，但不能证明薄表面层的生长必须依赖于棱边处的过饱和度优势，接下来利用柱面内的凹角以验证该观点是否成立。

图4 柱面凹角薄表面层生长实验示意图

图5 凹角处2种生长结果示意图

3 结 语

(1) 浮力对流导致的过饱和度不均匀性分布，可明显改变薄表面层的生长过程或结果。

(2) 三角形Z切片虽然不具有完整的Z切片结构，但在合适的浮力对流下，同样可完成成帽过程。若使用该方法生成KDP晶体，可节约晶体材料。

(3) 薄表面层的生长必须依靠棱边处的“过饱和度优势”，若其处于“过饱和度劣势”，薄表面层生长必然受到抑制。

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Effects of Buoyancy Convection on the Growth of KH2PO4Crystal Thin Surface Layer

XIAOLinhaiHUZhitaoWANGPengfei

(Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education, College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The regeneration of Z-cut plates and other KDP crystals with incomplete shapes were investigated, and found that the growth of thin surface layer is closely related to the solution supersaturation caused by buoyancy convection. Supersaturation near the crystal edges is always higher than that at the center of crystal plane, which is also a prerequisite for the growth of thin surface layer from edge, resulting in restoring the crystal′s intact shape. Otherwise, the growth of thin surface layer will definitely be suppressed. By rationally controlling the buoyancy convection, thin surface layer incomplete Z-cut plates can be used as seeds to grow KDP crystals which will save crystal material.

KH2PO4crystal; thin surface layer; buoyancy convection; higher supersaturation

2017-04-12

国家自然科学基金面上项目“溶液法晶体生长中薄表面层形成及生长机理研究”(51476014)

肖林海(1990 — )，男，重庆大学在读硕士研究生，研究方向为非平衡热力学相变。

O782

A

1673-1980(2017)04-0075-05