人类对能源有着巨大渴求,上世纪六十年代前后,科学家们就已经尝试利用惯性约束核聚变产生的巨大能量。惯性约束核聚变中的关键是激光点火,KDP类晶体因其优良的电光特性和较大的非线性光学系数在激光点火中扮演重要角色。KDP类晶体的生长研究始于上世纪三四十年代,九十年代末达到高峰。一开始人们致力于大尺寸(>40 cm)晶体的制备,尺寸达到要求后则着重关注晶体质量和制备成本。然而KDP晶体生长中的一些基本问题,比如悬而未决的薄表面层生长之谜,却少有人问津。由此凸显的,不只是KDP,而是整个晶体生长理论的亟待完善。薄表面层生长之谜是指非完整形态晶体在过饱和溶液中再生长时,它不像普通晶体那样依附已有晶面进行层状生长,而是以薄表面层悬空伸入溶液的方式修复出完整形貌,修复部分包裹生长溶液。这其中的问题在于,薄表面层悬空生长比层状生长至少多一倍的表面积(表面能,生长阻力),所以非完整形态晶体为何选择阻力更大的薄表面层生长方式进行自我修复?这种生长似乎和已有的晶体生长理论以及热力学基本原理格格不入,因此,研究薄表面层生长颇有深远的理论意义。本文依据工程热物理、化学以及晶体材料学科的理论知识,运用实验和数值模拟手段,先搭建水浴生长系统制备小尺寸晶体,再进行非完整形态晶体薄表面层再生实验和数值模拟研究。主要研究内容及成果如下:(1)成功搭建出降温法晶体生长系统,制备了大量小尺寸晶体,还受晶体生长启发给现有生长托盘增加了一个锥台。模拟锥台托盘晶体生长发现,锥台消除了原本存在于柱面底部的涡包,而且随着晶体长大,浓度场改善和位错消弭效果也越发明显,配合适当高的转速,锥台托盘能同时提高晶体锥面和柱面过饱和度分布均匀性。普通托盘和锥台托盘生长晶体的透过率和激光损伤阈值检测表明,即便在小尺寸尺度,锥台托盘就已经有提高晶体质量的优势。(2)显微观察发现,Z切片首先通过粗糙生长将非奇异的(001)面转变为奇异的{101}面,此后面中心和面边缘处锥面在同一平面的小晶锥均借助薄表面层生长进行锥面合并,最终四条棱边处小晶锥共同合并出对应于整个Z切片的空壳锥体。动力学实验和模拟结果表明,薄表面层从晶体某一处悬空产生,不是因为该处过饱和度高于其他地方,过饱和度只是影响薄表面层形成后的后续生长速度。(3)设计并切割出了所有晶面均为奇异面的非完整形态晶体,这些晶体再生时仍进行了薄表面层生长,实验现象明确表明薄表面层不是晶面台阶从棱边推移出去所形成;表面能计算发现,生长相同体积的薄层,薄表面层生长将比层状生长面临更大阻力;再结合Z切片再生结论——过饱和度不是薄表面层形成的本质原因,我们提出猜想,认为置于过饱和溶液中的非完整形态晶体具有“形态修复势”,它是薄表面层生长的驱动力,驱动薄表面层生长将自身快速修复至完整形态。薄表面层碎片实验表明,薄表面层在非完整形态晶体中的切向推移速度比相同溶液条件但脱离非完整形态晶体后的切向推移速度快一个量级。(4)重复沙发系列晶体再生实验发现晶体的修复终态总是呈现某一类特定的凸多面体外形。基于“形态修复势”的猜想,通过数学推导,证实了相较于凹多面体,凸多面体是更优的终态修复外形;再将完整形态晶体的最大限度切割和实际再生终态进行比较,揭示了非完整形态晶体修复终态的形貌特征——奇异面围成的体积最小的凸多面体。实现奇异面围成的最小体积凸多面体这一修复目标过程中的大量薄表面层生长细节表明,非完整形态晶体在自我修复过程中展现了形态预判功能。(5)模拟大尺寸Z切片成锥发现,静止对Z切片成锥不利,施加一定转速能保证棱边过饱和度高而面中心过饱和度低。降低溶液体过饱和度虽然会稍微降低成锥速度,但可以显著提高晶面过饱和度分布均匀性。薄表面层前沿端面首先接触自下而上流动的新鲜体溶液,所以有较高浓度;但随着新长出的薄锥层不断靠近旋转轴轴心,线速度变小流速降低,致使锥面中部偏下不断出现大范围低过饱和度区,随着薄层生长逐渐提高转速可以增强这部分晶面的溶质供应。最后还对成锥过程中的四个典型阶段分别给出了最优参数建议并呈现了相关的模拟结果。