浅析磁场在晶体生长中的应用研究进展

浅析磁场在晶体生长中的应用研究进展摘要：本文首先介绍了磁场对晶体生长影响的两种机制和磁场的类型，然后分析了磁场在蛋白质晶体生长中的应用和磁场在氧化物晶体生长中的应用，最后探讨了磁场在半导体晶体生长中的应用。

关键词：磁场；晶体生长；应用从熔体中生长晶体，由于对流，尤其是湍流的存在而产生宏观及微观的生长条纹，影响到晶体的物理及化学性质的均匀性。

克服对流的方法主要有微重力环境和磁场，而前者的实验费用昂贵，实验次数少，可用于基础性的研究，大规模的商业应用在目前来说是不现实的。

磁场用于抑制晶体生长中的湍流以减少条纹的方法是在1966年由Utech和Fleming及Chedzey和Hurlel分别独立提出的，然而这一发现却未能引起人们的重视。

70年代末，人们发现磁场对Si单晶生长中引入晶体的氧浓度影响很大。

由于氧浓度对Si基半导体器件的性能影响很大，才开始大规模研究磁场对晶体生长行为的影响。

1磁场对晶体生长影响的两种机制磁场影响晶体生长的机制有两种：Lorentz力与熔体中对流的互作用和对生长物质的磁化。

前一种机制是对熔融态导电的物质而言的。

磁场条件下熔体的流动必然引起感应电流的存在，而磁场又对这种感应电流有LorentZ力的作用，因此可以抑制熔体中的对流。

如果用B、E、V分别表示磁场强度、感生电动势和熔体流速，那么熔体中的感生电动势E为：E=-B×V熔体中的感生电动势是非均匀的，因此有电流J存在，这样抑制熔体运动的力F为：F=J×B另外一种机制则是对于非导电的物质，如蛋白质而言。

它们在磁场作用下分子受到磁化，其受到的力其中x为该物质的磁化率，H为磁场强度，V为物质体积。

2磁场的类型目前，磁场在晶体生长中的应用一般分为两大类：稳恒磁场和非稳恒磁场。

其中稳恒磁场又可分为横向（水平）磁场、垂直（轴向、纵向）磁场、会切（勾形）磁场；非稳恒磁场又分为旋转磁场、行波磁场、交变磁场和电磁场。

3磁场在蛋白质晶体生长中的应用磁场是否对蛋白质晶体的生长有影响，是一个有争议的问题，但Wakayama 等人利用均匀磁场和非均匀磁场对鸡蛋白溶菌酶(hen egg-white lysozyme)进行作用，发现均匀磁场对晶体的生长没有作用。

但不均匀磁场却对该晶体的成核数目有一定的影响，当磁场的梯度方向与重力方向一致时，则该蛋白质的成核数要比无磁场的情况下的成核数多5%，反之，如磁场的梯度方向与重力方向相反，则成核数减小5%。

最近他们又利用均匀磁场在重力条件下对晶体进行稳定，定量的研究了重力条件下该物质的初始结晶动力学。

4磁场在氧化物晶体生长中的应用对磁场影响氧化物晶体生长的研究才刚刚开始，但已经有一些有益的探索。

金蔚青等人位对横向磁场下KNbO3晶体生长过程作实时观察，发现晶体生长边界层的前缘部分变成平坦状，在晶体稳态生长中晶体内的生长条纹减少。

施加磁场则晶体生长界面前沿较为平直，撤去磁场，界面变得有些凹凸不平，而且出现了垂直于生长界面的生长条纹。

他们认为在磁场的作用下，界面前沿的流动粘滞性较高，温度波动较低，撤去磁场后，这两个参数条件迅速恶化而引起生长条纹。

在后续的工作中又对KNbO3熔体中的温度分布进行了测量，发现随磁场强度增加熔体温度梯度沿径向减小。

Miyazawa等研究了LiNbO3和TiO2熔体在轴向和横向磁场的作用下对流，发现磁场作用下氧化物熔体中的对流与半导体熔体中的对流变化不一样。

他们发现在800mT轴向磁场作用下，LiNbO3熔体中的流动有一个突变，由辐条状向绕中心旋转的流动转换，并且旋转速度随磁场强度增大而增大。

横向磁场下则在500mT时即出现上述情况。

对TiO2熔体均出现上述情况，TiO2熔体对流转换则是从复杂的网状结构转变成绕中心旋转的流动。

其旋转速度大约是LiNbO3情况下的两倍，旋转方向相反，且使旋转的临界值仅为10mT。

他们还成功地利用这一特点，用磁场Czochraski方法生长出TiO2单晶，而这在没有磁场作用的情况下则是比较困难的，对其直径的控制几乎不可能，因为固液界面凹向熔体。

5磁场在半导体晶体生长中的应用半导体材料是磁场在晶体生长中的应用涉及最早同时也是经济潜力最大的一个区域。

研究较多的是磁场条件下Si中氧浓度及其分布的变化、GaAS晶体由半绝缘体到半导体的变化及InP晶体的生长条纹变化等。

5.1 Si磁场可以影响Si单晶中氧浓度的大小是进行磁场Si单晶生长的主要动因。

引入Si单晶中氧浓度主要受熔体Si与石英坩埚的反应速度、熔体表面SiO蒸发的速率等因素的影响。

因此与其它保守掺质不一样，氧浓度受熔体中对流、增祸一熔体界面厚度以及熔体自由表面的影响较大，因此磁场对其作用较大。

以下是关于三种不同静态磁场对Si单晶生长效应的简单综述。

5.1.1轴向磁场的结果轴向磁场的工作很多，Hoshikawall报道了100mT轴向磁场对从3.5kg熔体中生长的单晶Si中氧和磷沿径向分布的影响，发现氧的含量在轴向增大，而径向电阻率均匀性减小，轴向的电阻率均匀性增加，在晶体边缘处旋转条纹增加。

Thomas等报道了Ga的有效分凝系数Keff与所施加磁场强度关系。

Dold等研究轴向磁场下，用镜炉(Mirror Furnaee)加热浮区法生长p和Sb掺杂Si单晶的过程。

60mT的磁场就对生长条纹有强烈的影响。

发现随磁场增强，条纹的频率范围由无磁场下的0.1~5Hz减少到220mT下只剩下一个频率，240mT 时则获得无条纹的单晶。

Croll等研究了5T的强磁场下用上述方法生长Si单晶的过程，发现如此高的磁场下轴向分凝的分布向扩散控制的方向移动，但并没有获得纯粹的扩散控制区域。

与时间相关的Marangoni对流引起的溶质条纹得以抑制。

但在强磁场下出现一种新的振荡条纹，这种条纹是由热电磁对流引起的，热电磁对流通常表现为环状对流，热电流(Thermocurrent)和界面形状、温度场以及组成等有关。

5.1.2横向磁场的结果Suzuki等最先报道了横向磁场下的Si单晶生长。

他们利用传统的加热器，在400mT磁场下沿(100)面生长出直径5cm硼掺杂无位错晶体，熔体中温度振荡从2℃降到<0.2℃，氧的浓度有所降低。

Hoshi等研究较大熔体中生长晶体，发现横向磁场可以减少晶体中氧含量，及由于增祸中的杂质而引起的污染。

Ravishankar等人报道了由热对流引起的条纹的减少，但旋转生长条纹有所增加。

这可能是由于横向磁场引起熔体中热对称性破坏的原因。

与轴向磁场相比，横向磁场下增祸的旋转有更为显著的效应。

5.1.3会切磁场的结果会切磁场是为了解决简单轴向磁场或横向磁场作用下的问题而提出的一种新设计方案。

合理的设计可以保证在晶体-熔体界面处磁场方向垂直于增祸壁，而没有轴向的成分。

Series和Hirata报道都显示轴向磁场下单晶中氧浓度降低，径向均匀性较好。

理论和实验都证明在低磁场下氧含量降低的速率很快。

sabhapathy和saleudean对轴向磁场和会切磁场影响Si单晶中氧的分凝效果进行了数值计算，提出了垂直于刚性界面的磁场可以加强边界与熔体流动之间的藕合的概念，这与会切磁场和横向磁场下钳竭旋转起主要作用，轴向磁场下晶体旋转起主要作用的事实相符合。

（三）导师制的作用大众化教育背景下本科生导师制的实施是否有必要？调查结果显示，在被调查的我院04、05级93人中，有79%的学生认为实行本科生导师制对于本科生培养教育具有重要的意义，82%的教师认为有利于因材施教和学生的个性发展；有利于教学与科研相结合；有利于充分发挥教师教书育人的主体作用；有利于密切师生关系，增进师生友谊。

可见，绝大多数师生对大众化教育背景下实施本科生导师制的认识具有高度的一致性。

（四）结论通过调查和比较分析，我院本科生导师制在实行过程中仍存在不少有待解决的问题，归纳为以下几点：一是本科生导师制形式化程度较浓厚，活动方式比较单一，师生比例不协调，师生间沟通交流较少，本科生导师制难于真正发挥作用。

二是导师制指导内容不够规范。

导师对自身职责和工作目标不够明确，部分导师难于做到尽职尽责。

三是导师制考评机制缺乏科学性，且与之配套的制度不健全和不完善，这在很大程度上影响了本科生导师制的实施效果及导师的工作积极性。

三、完善本科生导师制的对策和建议（一）结合实际，加强针对性指导指导方式应结合我院师资条件、教学科研状况、学生素质、班主任和辅导员制度等实际，选择不同类型。

目前，本科生导师制基本上分为综合导师制、年级导师制、英才导师制等不同类型。

由于我院班主任和辅导员制度的存在，与综合导师制必然产生职能上的重复，难于协调两种制度的职能，加之生师比问题突出，因而不适宜采用。

而英才导师制由于其覆盖面过小，闲置和浪费了导师资源，因而也不适宜采用。

相对而言，年级导师制由于主要是针对低年级学生的大学生活适应、学习方法、专业发展和职业规划的指导，可以有效地克服供需不平衡的问题，加之高年级的学生已经具备了较强的独立自主能力，就不再需要配备导师了，因而比较适宜。

同时，为求得导师制的良好效果，应加强指导的针对性和多样性，如利用电话相互联系或网上交流、导师经常下寝室、学生经常登门请教等加强学生与导师间的交流与了解，为导师制的顺利实施奠定基础；导师应根据学生的专业特长、学习兴趣和个性特征，制订并实施具体计划，通过导师论坛、专题讲座、谈心交流、学业辅导等形式，采取集中和个别相结合的方式，开展经常性的、有针对性的教育活动；此外，在指导要求上，既要倡导导师找学生，也要要求学生主动找导师，发挥两方面的积极性，形成良性互动，以增强指导实效。

（二）强化导师队伍，明确导师职责在进行导师筛选的过程中，挑选专业业务好、政治素质高、责任心强的老师担当本科生的导师是本科生导师制在实施过程中的一个重要环节。

近几年，随着我校扩大招生，学生数量急剧增加，但与此相对应的师资队伍建设却严重滞后，最突出的问题就是本科生导师的数量不能适应本科生导师制发展的要求。

为此，我们认为一方面应严格控制学生规模，加强师资队伍建设，提高教师工资福利待遇，以稳定导师队伍，激发导师工作的积极性；另一方面可适当招收部分在读研究生来充实导师队伍，使师生比保持在理想状态。

此外，应明确导师职责，这既是加强导师工作管理的必要手段。

也是衡量和考评导师工作的客观依据。

具体而言，本科生导师的职责大概分为以下几项：一是根据人才培养目标和专业培养计划，对学生的专业学习、选课过程给予指导。

二是定期组织学习讨论，让学生参与科学研究，培养学生理论联系实际的能力和创新思维能力，引导学生了解学科前沿情况，对学生的发展方向提出建议。

三是及时了解学生的思想动态，对学生进行思想品德教育，让学生树立正确的人生观和价值观，促进学生个性健康、充分地发展。