低成本稀土晶体的生长工艺中提拉生长速率的计算方法和计算系统技术方案

本发明专利技术提供了稀土晶体生长工艺中提拉生长速率的计算方法和计算系统，本发明专利技术从稀土晶体生长的根本出发，针对晶体生长的机理不清晰，缺乏对多尺度生长过程的有效控制的现状，认为生长控制系统之中缺少前端理论设计功能，从而延长了生长技术的周期，增加了稀土晶体生长的前期投入。本发明专利技术从稀土晶体的生长机理入手，提出了稀土晶体生长工艺中提拉生长速率的计算方法和计算系统，结合实际生长中的温度梯度，计算不同尺寸区间的生长速度，解决了稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题，尤其是大尺寸稀土晶体在上述方面存在的问题。

【技术实现步骤摘要】
低成本稀土晶体的生长工艺中提拉生长速率的计算方法和计算系统
本专利技术属于稀土晶体材料
，具体涉及低成本稀土晶体的生长工艺中提拉生长速率的计算方法和计算系统。
技术介绍
稀土是国家的重要战略资源，作为稀土材料的重要分支之一，稀土晶体指稀土元素可以完整占据结晶学结构中某一格点的晶体，具有独特的磁学和光学特性，被广泛地应用于光纤通讯、国防安全、民生健康等国家重点领域，其研究和发展，一直是业内广泛关注的焦点。然而，现阶段稀土晶体生长品质的不稳定性、晶体内组成不均匀性、大尺寸材料生长的困难性严重限制了高端稀土晶体产品的研制与使用。归其原因主要包括：1)稀土晶体生长机理不清晰，缺乏对多尺度生长过程的有效控制；2)生长设备在线测控功能薄弱，缺少稀土晶体生长实时数据反馈并做出相应精确调控；3)生长设备控制精度和稳定性有待提高，确保每一炉次稀土晶体生长过程“高度一致”。稀土晶体生长控制计算系统能够为高品质稀土功能晶体提供稳定可靠的生长平台。目前，国内外一致认为高控制精度自动控制稀土有利于实现高品质稀土晶体生长。因此，稀土晶体专用的自动化控制稀土的研制具有重要意义。近些年，国内外已有多家公司和研究机构对稀土晶体生长工艺的自动化控制进行了研究和生产，如法国的Cyberstar公司，实现了晶体生长过程的高精度、稳定循环控制，实现外形可控且无位错优质单晶的生长，且可在高温、真空或惰性气体部分压力下正常工作，使得生长的晶体产品成品率高，大大降低晶体生长过程中的人力资本。德国的PVATePla集团、美国的GTAdvancedTechnologies公司、西安理工晶体科技有限公司、中电26所、中材人工晶体研究院、东方钽业集团公司、雷生强式公司等等单位均已经生产了经济实用的晶体生长设备。再如稀土资源利用国家重点实验室对稀土晶体生长设备进行改造升级，采用共聚焦摄像仪和测温仪，实现了生长过程图像、温度的远程监控，进一步提高生长设备的控制精度。但是由于稀土晶体生长过程的复杂性和较高的不确定性，使得稀土晶体生长技术的设计周期长，而且生长参数需要反复优化等问题，导致稀土晶体生长的前期投入较大，大大延长了生长技术研发周期，而且前期过程中稀土材料损耗严重、整体生长过程人力成本投入高等等，使得稀土晶体生长成本居高不下，已成为稀土晶体应用领域上的桎梏，更阻碍了进一步在探测领域更为广泛的应用，因此，如何减少稀土晶体生长技术的设计周期，简化生长参数的反复优化过程，减少前期设计的投入和浪费，进而降低稀土晶体的整体制造成本，已成为了应用领域前沿学者亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供低成本稀土晶体的生长工艺中提拉生长速率的计算方法和计算系统，利用该计算方法和相应的软件计算系统，结合实际生长中的温度梯度，能够计算不同尺寸区间的生长速度，有效的解决大尺寸稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题。本专利技术提供了稀土晶体生长工艺中提拉生长速率的计算方法，包括以下步骤，1)依据结晶生长的化学键合理论，参照式(I)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再得到模拟的稀土晶体的热力学生长形态；其中，Ruvw为晶体沿[uvw]方向的相对生长速率；K为速率常数；为沿[uvw]方向生长的化学键合能；Auvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；duvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；2)基于上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态，确定优势提拉生长方向；3)根据上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态和优势提拉生长方向，确定沿径向方向的生长界面处的各向异性化学键合结构；4)基于之前的生长过程数据，统计稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；基于之前的生长过程数据，统计稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度；5)依据传质方程，参照式(II)，计算得到晶体生长过程中的各向同性传质决定的扩散速率；Mmelt＝4πr2Nmelt，r|R式(II)，其中，Mmelt是单位之间内熔体减少的量，Nmelt,r|R是半径R处熔体的传质通量，r是生长界面沿径向到晶体中心的距离；6)整合稀土晶体的各向异性相对生长速率和各向同性传质决定的扩散速率，再结合步骤4)得到的数值进行校正，计算得到稀土晶体生长工艺过程中各个尺寸区间的提拉生长速率。优选的，所述稀土晶体生长的初期，所述稀土晶体在熔体中心区域；所述稀土晶体的最小直径为2～10mm；所述稀土晶体生长的提拉生长速率取决于所述稀土晶体的各向异性相对生长速率。优选的，所述稀土晶体生长的中期处于放肩初期到放肩结束；所述稀土晶体的直径为10～90mm。优选的，所述参照式(II)，计算的具体步骤为：a)参照式(II)，根据Fick第一定律，得到式(III)，其中，C是晶体组成的浓度，D是晶体组成在熔体中的扩散系数，x是晶体组成分数；b)基于边界条件：r＝R，x＝xR，得出式(IV)，优选的，所述稀土晶体生长的初期，所述各向异性相对生长速率远大于各向同性传质决定的扩散速率；所述xR＝0，所述式(IV)为：优选的，所述各向异性相对生长速率和所述各向同性传质决定的扩散速率共同影响所述稀土晶体的提拉生长速率；边界条件为：r＝R，x＝xR，Nmelt,R＝-kCRxR；则所述式(IV)可推算为：优选的，所述整合为非线性偶合；所述稀土晶体的提拉生长速率为2.5～8.0mm/h。优选的，所述稀土晶体包括稀土激光晶体和稀土闪烁晶体；所述稀土闪烁晶体包括稀土正硅酸盐晶体、稀土硅酸盐晶体、稀土掺杂钇铝石榴石晶体和稀土掺杂镥铝石榴石中的一种或多种；所述稀土晶体为类圆柱体，所述稀土晶体的等径尺寸为30～90mm；所述稀土晶体的长度为60～300mm。优选的，所述稀土晶体为稀土掺杂钇铝石榴石晶体时，所述热力学生长形态暴露的晶面为{100}、{110}和{111}晶面；所述优势提拉生长方向为[100]、[010]和[111]方向。本专利技术提供了稀土晶体生长工艺中提拉生长速率的计算系统，包括：模拟单元，用于依据结晶生长的化学键合理论，参照式(I)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再得到模拟的稀土晶体的热力学生长形态；其中，Ruvw为晶体沿[uvw]方向的相对生长速率；K为速率常数；为沿[uvw]方向生长的化学键合能；Auvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；duvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；第一确定单元，用于根据上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态，确定优势提拉生长方向；第二确定单元，用于根据上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态和优势提拉生长方向，确定沿径向方向的生长界面处的各向异性化学键合结构；拟合单元，用于基于之前的生长过程数据，统计稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；基于之前的生长过程数据，统计稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度；计算单元，用于依据传质方程，参照式(II)，计算得到晶体生长过程中的各向同性传质决定的扩散速率；Mmelt＝4πr2Nmelt，r|R式(II)，其中，Mmelt是单位之间内熔体减少的量，Nmelt,r|R是半径本文档来自技高网...

【技术保护点】
稀土晶体生长工艺中提拉生长速率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤，1)依据结晶生长的化学键合理论，参照式(I)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再得到模拟的稀土晶体的热力学生长形态；

【技术特征摘要】
1.稀土晶体生长工艺中提拉生长速率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤，1)依据结晶生长的化学键合理论，参照式(I)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再得到模拟的稀土晶体的热力学生长形态；其中，Ruvw为晶体沿[uvw]方向的相对生长速率；K为速率常数；为沿[uvw]方向生长的化学键合能；Auvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；duvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；2)基于上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态，确定优势提拉生长方向；3)根据上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态和优势提拉生长方向，确定沿径向方向的生长界面处的各向异性化学键合结构；4)基于之前的生长过程数据，统计稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；基于之前的生长过程数据，统计稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度；5)依据传质方程，参照式(II)，计算得到晶体生长过程中的各向同性传质决定的扩散速率；Mmelt＝4πr2Nmelt,r|R式(II)，其中，Mmelt是单位之间内熔体减少的量，Nmelt,r|R是半径R处熔体的传质通量，r是生长界面沿径向到晶体中心的距离；6)整合稀土晶体的各向异性相对生长速率和各向同性传质决定的扩散速率，再结合步骤4)得到的数值进行校正，计算得到稀土晶体生长工艺过程中各个尺寸区间的提拉生长速率。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体生长的初期，所述稀土晶体在熔体中心区域；所述稀土晶体的最小直径为2～10mm；所述稀土晶体生长的提拉生长速率取决于所述稀土晶体的各向异性相对生长速率。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体生长的中期处于放肩初期到放肩结束；所述稀土晶体的直径为10～90mm。4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述参照式(II)，计算的具体步骤为：a)参照式(II)，根据Fick第一定律，得到式(III)，其中，C是晶体组成的浓度，D是晶体组成在熔体中的扩散系数，x是晶体组成分数；b)基于边界条件：r＝R，x＝xR，得出式(IV)，5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体生长的初期，所述各向异性相对生长速率远大于各向同性传质决定的扩散速率；所述xR＝0，所述式(IV)为：6.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体生长的中期，所述生长界面靠近坩埚壁，生长界面沿径向温度梯度增大...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛冬峰，孙丛婷，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22