浮力對(duì)流對(duì)KH2PO4晶體薄表面層生長的影響

肖林海 胡志濤 王鵬飛

(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院， 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

浮力對(duì)流對(duì)KH2PO4晶體薄表面層生長的影響

肖林海 胡志濤 王鵬飛

(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院， 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

通過對(duì)Z切片等多種非完整形態(tài)下KH2PO4晶體生長薄表面層的實(shí)時(shí)觀察，發(fā)現(xiàn)薄表面層的生長與浮力對(duì)流導(dǎo)致的溶液過飽和度梯度之間存在密切聯(lián)系。晶體棱邊處的過飽和度往往高于晶面內(nèi)部，使得處于該條件下的非完整形態(tài)晶體的棱邊可在后續(xù)生長過程中產(chǎn)生薄表面層，進(jìn)而恢復(fù)晶體的完整形態(tài)。棱邊處擁有的“過飽和度優(yōu)勢(shì)”是其產(chǎn)生薄表面層的先決條件，若棱邊處于“過飽和度劣勢(shì)”，則薄表面層生長必然受到抑制。合理利用浮力對(duì)流，可使用非完整的Z切片籽晶生長KDP晶體，以節(jié)約晶體材料。

KH2PO4晶體； 薄表面層； 浮力對(duì)流； 過飽和度優(yōu)勢(shì)

KH2PO4晶體 (KDP)是一種具有非線性光學(xué)性能的晶體材料，可實(shí)現(xiàn)激光二倍頻和三倍頻[1]，常應(yīng)用于慣性約束激光核聚變實(shí)驗(yàn)。目前國際上興起的KDP晶體點(diǎn)籽晶快速生長方法日趨成熟[2]，但傳統(tǒng)的Z切片生長方式仍是獲得大尺寸KDP晶體的主要方式[3]。Z切片籽晶在成帽過程中以薄表面層的形式恢復(fù)晶體的完整形態(tài)[4]，該生長機(jī)制與奇異面層狀生長機(jī)制完全不同[5]，且會(huì)影響后續(xù)生長晶體的質(zhì)量[3]。

非完整形態(tài)的KDP、ADP[6]和尿素[7]等晶體往往以薄表面層的形式恢復(fù)完整形態(tài)，薄表面層生長應(yīng)被視為一種奇特的成核機(jī)制。許多學(xué)者認(rèn)為，薄表面生長與液體包裹物的產(chǎn)生有直接聯(lián)系[8]，因而研究薄表面層生長習(xí)性意義重大。薄表面層沒有依附于原有晶面，相對(duì)層狀生長明顯增加了界面能，晶體未以吉布斯自由能最小的方式恢復(fù)完整形態(tài)，這些現(xiàn)象一直未能得到合理解釋[2，9]。

2001年，Zaitseva和Carman等人提出了“棱邊生長機(jī)制”[2，9]，以解釋{101}錐面內(nèi)的凹角產(chǎn)生薄表面層的現(xiàn)象。隨后，Teng等人研究了{(lán)100}柱面內(nèi)薄表面層生長現(xiàn)象[8]。但受限于切割方式，不能說明該薄表面層形成機(jī)制與Zaitseva和Carman等人提出的“棱邊生長機(jī)制”是否相同。近年來，鄧偉等人采用“涂覆法”觀測(cè)KDP晶體Z切片薄表面層形成和生長特性，提出棱邊是薄表面層產(chǎn)生的前提[12]。程高等人研究了棱角對(duì)ADP晶體Z切片薄表面層生長影響，提出棱角是薄表面層的生長源，薄表面層起源于此后沿棱邊生長形成[13]。目前，有部分學(xué)者認(rèn)為，薄表面層的產(chǎn)生緣于棱邊處的過飽和度高于晶面內(nèi)部，但該結(jié)論并未經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。

若使非完整形態(tài)的KDP晶體在浮力對(duì)流條件下生長，可明顯增加棱邊處的過飽和度梯度。本次研究中，通過調(diào)整晶體的擺放方式，分別使棱邊處于較低與較高的過飽和度區(qū)域，分析薄表面層生長特點(diǎn)，并驗(yàn)證薄表面層的生長是否依賴于棱邊處的“過飽和度優(yōu)勢(shì)”。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)大概過程是：將特純級(jí)KH2PO4原料(Sinopharm Chemical Reagent Co.，Ltd.，純度高于99.9%)溶于超純水(HITECH Laboratory Water Purification Systems，電阻率18.2 MΩ)，經(jīng)0.2 μm孔徑濾膜過濾，再經(jīng)水浴中過熱24 h，最終得到實(shí)驗(yàn)所用KDP溶液。通過稱重法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算溶解度：

S= 6.02×10-3·T2+0.208·T+mV

(1)

式中：S—— 溶解度，溫度T下100 mL水中溶解的KDP質(zhì)量；

T—— 溫度；

m—— KDP的質(zhì)量；

V—— H2O的體積。

過飽和度表示為：

σ= (C-C0)C0

(2)

式中：σ—— 過飽和度；

C0—— 溫度T下的平衡濃度；

C—— 實(shí)際濃度。

實(shí)驗(yàn)所需的非完整形態(tài)KDP晶體樣品，采用沈陽科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的金剛石線切割機(jī)STX-202A切割而成，金剛石線直徑為0.3 mm，切割速度為0.3 mmmin，切割后的樣品用無水乙醇清洗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 Z切片薄表面層生長實(shí)驗(yàn)

2.1.1 傾斜條件下Z切片薄表面層生長實(shí)驗(yàn)

如圖1(a)所示，將Z切片傾斜10°放置，晶棱BC、AD邊均平行于水平方向，使得Z切片(001)面的A、D棱角水平高度高于B、C棱角，Z切片尺寸為2.2 cm×1.7 cm。晶體經(jīng)預(yù)熱后，置于34.5℃下過飽和度1%的溶液中，觀察薄表面層生長過程。

圖1 Z切片薄表面層生長實(shí)驗(yàn)

在生長初期，明顯觀察到(001)面由大量的小晶錐覆蓋，一段時(shí)間后4個(gè)棱角處均產(chǎn)生薄表面層。棱角B、C處產(chǎn)生的薄表面層生長速度略快于棱角A、D處產(chǎn)生的薄表面層，但并不明顯，4 h后的生長結(jié)果如圖1(b)所示。較小的Z切片尺寸、較低的過飽和度及較小的傾斜角度只能產(chǎn)生微弱的浮力對(duì)流。接下來增大傾斜角度，并選用較大尺寸的Z切片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以觀察薄表面層生長現(xiàn)象是否發(fā)生明顯變化。

2.1.2 非完整的Z切片薄表面層生長實(shí)驗(yàn)

使用Z切片籽晶生長KDP晶體往往發(fā)現(xiàn)薄表面層懸垂生長，最終完成成帽過程[14]。若非完整的Z切片可借助該特點(diǎn)完成成帽過程，可節(jié)約籽晶材料。如圖2(a)所示，沿對(duì)角線切割Z切片，Z切片僅剩下正常棱角B及棱邊AB、BC。

圖2 正托三角形Z切片薄表面層生長實(shí)驗(yàn)示意圖

如圖2(c)所示，將Z切片放置于托盤上，(001)面豎直向上。晶體經(jīng)預(yù)熱之后置于30 ℃下8%過飽和度的溶液中，一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)其成帽階段因缺失正常棱角以及棱邊而變得困難，薄表面層僅能夠在棱角B處產(chǎn)生沿棱邊AB、BC生長，如圖2(d)所示?？梢?，三角形Z切片在該浮力對(duì)流條件下不能順利完成成帽過程。

圖3 倒托三角形Z切片薄表面層生長實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 {100}柱面內(nèi)的凹角生長薄表面層實(shí)驗(yàn)

以上實(shí)驗(yàn)表明，薄表面層的生長過程與浮力對(duì)流密切相關(guān)，但不能證明薄表面層的生長必須依賴于棱邊處的過飽和度優(yōu)勢(shì)，接下來利用柱面內(nèi)的凹角以驗(yàn)證該觀點(diǎn)是否成立。

圖4 柱面凹角薄表面層生長實(shí)驗(yàn)示意圖

圖5 凹角處2種生長結(jié)果示意圖

3 結(jié) 語

(1) 浮力對(duì)流導(dǎo)致的過飽和度不均勻性分布，可明顯改變薄表面層的生長過程或結(jié)果。

(2) 三角形Z切片雖然不具有完整的Z切片結(jié)構(gòu)，但在合適的浮力對(duì)流下，同樣可完成成帽過程。若使用該方法生成KDP晶體，可節(jié)約晶體材料。

(3) 薄表面層的生長必須依靠棱邊處的“過飽和度優(yōu)勢(shì)”，若其處于“過飽和度劣勢(shì)”，薄表面層生長必然受到抑制。

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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

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“溶液法晶體生長中薄表面層形成及生長機(jī)理研究”(51476014)

肖林海(1990 — )，男，重慶大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉瞧胶鉄崃W(xué)相變。

O782

A

1673-1980(2017)04-0075-05