一种生长异形晶体的技术——导模法

1938年，前苏联科学家Stepanov首次发明了异形晶体的生长方法。1967年，美国Tyco实验室LaBelle发明了导模法晶体生长技术(edge-defined film-fed growth， EFG)，该技术利用与熔体可浸润的模具材料使坩埚内的熔体通过模具的毛细孔或毛细缝的虹吸效应上升到模具上表面，通过定向籽晶提拉牵引，在模具上表面进行晶体生长，所生长晶体的横截面形状取决于模具上表面的正投影形状。导模法晶体生长示意图如图1所示。

图1 导模法晶体生长示意图

与其他熔体生长方法如提拉法、坩埚下降法、温梯法、热交换法和区熔法等相比，导模法可生长形状复杂和接近最终产品形状与尺寸的异形晶体，是不可替代的晶体生长方法，已被应用于金属、合金、硅、锗、蓝宝石和氧化镓等单晶的生长，其新应用被不断开拓，典型如微孔蓝宝石晶体，作为光波导介质将激光传输到肿瘤表面，作为太赫兹光子晶体波导为太赫兹波的传输提供了一种有效的解决方案等。

本期封面展示了用导模法生长的蓝宝石单晶异形制品，如图2所示，包括多片、大板材、微管及其列阵、大口径管、单头封管、纤维和红宝石等，由同济大学物理科学与工程学院徐军教授团队提供。十余年来，该团队针对不同晶体需求，先后建立了如下装置和工艺平台：(1)感应加热、铱坩埚发热体、氧化锆热场；(2)感应加热、铱桶发热体、铱坩埚、氧化锆热场；(3)感应加热、钨/钼坩埚、氧化锆+石墨碳毡混合热场；(4)感应加热、钨桶发热体、钨/钼坩埚、氧化锆+石墨碳毡混合热场；(5)电阻加热、石墨发热体、钨/钼坩埚、石墨碳毡热场；(6)电阻加热、石墨发热体、钨/钼坩埚、双温区石墨碳毡热场等。并在此基础上开发了蓝宝石系列晶体：同步12～23片108 mm/80 mm宽片、350 mm×700 mm×12 mm大板条、内径0.16 mm微管及其阵列、内/外径分别为31 mm/58 mm和50 mm/65 mm圆管、单段封口热偶管、单晶光纤、红宝石等,部分已进入市场，获得产业化应用。

图2 导模法生长的异形蓝宝石单晶制品