提拉法生长Ca（BO2）2晶体的包裹体缺陷研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0072

摘要/Abstract

摘要： 偏硼酸钙（Ca（BO₂）₂）晶体的紫外透过截止边短，紫外波段透过率高，且具有较大的双折射率，是一种具有巨大发展潜力和广阔应用前景的深紫外双折射晶体，但目前生长的晶体易产生包裹体缺陷，严重影响其应用。本文采用提拉法生长Ca（BO₂）₂晶体并制备测试样品，利用偏光显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱等手段对包裹体的形貌、尺寸、分布和成分进行检测，结合晶体生长的过程，分析了包裹体的形成机制，并提出了其消除策略。研究表明，Ca（BO₂）₂晶体中的包裹体为气相包裹体，来源于熔体中溶解的气体分子，在晶体中以“球形”、“线状”与“蝌蚪状”形貌出现；其形成是由晶体生长速率和气泡扩散速率共同决定，通过对熔体进行过热处理、提高生长界面的温度梯度、降低生长速率、提高晶体生长旋转速度等方式可以完全消除晶体中包裹体缺陷。

关键词: Ca（BO₂）₂晶体; 提拉法; 包裹体; 生长速率; 温度梯度; 溶质边界层

Abstract: Calcium metaborate （Ca（BO₂）₂） crystal is a kind of deep ultraviolet birefringent crystal with great development potential and broad application prospect because of its short ultraviolet transmission cutoff， high ultraviolet transmittance and large birefringence index. However， inclusion defects easily occur during the process of crystal growth， which seriously impact the application of crystals. In this study， Ca（BO₂）₂ crystals were grown using the Czochralski method， and test samples were prepared. The morphology， size， distribution， and composition of the inclusions were investigated using a polarizing microscope， scanning electron microscopy， and Raman spectroscopy. The formation mechanism of the inclusions was analyzed in conjunction with the crystal growth process， and strategies for eliminating inclusions were explored. The result of research shows that the inclusions in Ca（BO₂）₂ crystals are gaseous in nature， originating from gas molecules dissolved in the melt， and appear in the form of “spherical” “linear” and “tadpole-like” shapes. The formation of these inclusions is determined by the interplay between the crystal growth rate and the gas bubble diffusion rate. The inclusions can be completely eliminated by overheating the melt， increasing the temperature gradient at the growth interface， reducing the growth rate， and increasing the crystal growth rotation speed.

Key words: Ca（BO₂）₂ crystal; Czochralski method; inclusion; growth rate; temperature gradient; solute boundary layer

中图分类号:

O77⁺1

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图/表 6

图1 CB2晶体及包裹体分布示意图。（a）包裹体较少时的晶体；（b）包裹体严重时的晶体；（c）晶体底部胞状界面；（d）（010）面观察晶体中包裹体的分布示意图

Fig.1 Images of CB2 crystal and schematic diagram of inclusion distribution. （a） The crystal with fewer inclusions；（b） the crystal with severe inclusions；（c） cellular interface at the bottom of the crystal；（d） the schematic diagram of inclusion distribution observed on the （010） plane in the crystal

图2 在（001）面观察到的包裹体形貌

Fig.2 Morphology of inclusions observed on（001） plane

图3 CB2晶体中包裹体。（a）SEM照片；（b）EDS能谱取样位置

Fig.3 Inclusions in CB2 crystal. （a） SEM image；（b） EDS spectra sampling locations

表1 EDS能谱分析结果

Table 1 EDS energy spectroscopy analysis results

Site	Mass fraction/%
Site	Ca	B	O
Spectrum 7	12.4	82.7	4.9
Spectrum 9	21.7	34.1	44.1
Spectrum 10	14.5	57.9	27.5

图4 有、无包裹体的CB2晶体拉曼图谱对比

Fig.4 Comparison of Raman spectra of CB2 crystals with and without inclusions

图5 无包裹体缺陷CB2晶体的透过光谱

Fig.5 Transmission spectrum of CB2 crystals without inclusion defect

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提拉法生长Ca（BO₂）₂晶体的包裹体缺陷研究

Inclusion Defects in Ca（BO₂）₂ Crystals Grown by Czochralski Method

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