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ZnO单晶是具有半导体、发光、压电、电光等多种用途的功能晶体材料。不仅可用于制作紫外光电器件，也是高性能的移动通讯基片材料和优秀的闪烁材料；此外，ZnO与GaN的晶格失配度特别小，是GaN外延生长最理想的衬底材料。ZnO具有高熔点、高挥发性和强极性等特征，使得晶体生长十分困难。目前ZnO晶体生长技术主要有助熔剂法、水热法、气相法等几种。虽然国际上采用水热法已生长出直径2英寸的ZnO单晶，但水热生长速率慢(＜0.2mm/day)，高压釜长周期生长存在一定危险性，采用水热法生长ZnO单晶的商业化比较困难。助熔剂法具有设备简单、操作容易、周期短等优点，但现有助熔剂法生长技术很难获得大尺寸晶体。本文把传统助熔剂方法和坩埚下降法融合在一起，将助熔剂-坩埚下降法应用于ZnO晶体生长，开辟一条ZnO单晶生长新途径。本研究主要内容包括：
⑴依据大量的文献调研和实验筛选，确定25mol％ZnO溶质和75mol％PbF2助熔剂的初始配比，对应的析晶温度约1100℃。在此附近调整配比，发现提高ZnO含量有利于析出更多晶体，但析晶温度明显升高，PbF2对Pt坩埚的腐蚀性也随之加重。为了诱导成核，在坩埚底部设计、安装了一套通气装置，有效地控制了自发成核析晶，提高了晶体质量和成功率，并研究了通气速率对ZnO单晶生长的影响。经过工艺参数的优化，生长出直径25mm、厚度5～8mm的ZnO单晶。最佳工艺条件：生长温度～1100℃；固液界面温度梯度～60℃/cm；通气速率3.0L/min;下降速率＜0.3mm/h。
⑵研究了助熔剂-坩埚下降法生长的ZnO单晶生长形貌和机理。由于ZnO和PbF2的比重相差较大，助熔剂-坩埚下降法生长过程中高温溶液出现分层现象：顶部很容易析出大面积的ZnO薄片，中间出现六方柱状或不同形状的晶体颗粒，坩埚底中心位置存在急冷成核区，大块晶体由此长大。由于ZnO很容易挥发，在坩埚上部空间还发现楔形ZnO晶体，具有完整的显露面。随着高温溶液中ZnO溶质饱和度的变化，其生长基元由六方柱状变成直链状，ZnO单晶的生长形态也相应由块状、薄片状变成六方空心状；ZnO单晶的生长台阶表明ZnO晶体呈现典型的极性生长、二维成核生长机制。
⑶相对一致熔融晶体生长，助熔剂法更容易引入杂质缺陷及其衍生缺陷。在助熔剂-坩埚下降法生长的ZnO晶体中，我们观察到包裹体、负晶结构、生长条纹、晶界以及开裂等多种缺陷。不同缺陷对应的生长机理不同。通过缺陷形成机理研究，提出了控制缺陷的工艺措施，从而保证了大尺寸、高质量ZnO晶体的生长。助熔剂-坩埚下降法生长的ZnO单晶在600-800nm波长范围内其室温透过率在70％以上，最高处达到了75％。PL谱显示，室温下ZnO单晶在377nm出现很强的紫外发光峰，未观察到与本征缺陷有关的可见光发射峰，说明该方法生长的ZnO晶体本征缺陷较少。但是，助熔剂的存在也在晶体中引入了一定量的杂质，从而导致晶体着色。测试表明，F离子浓度在40ppm量级。F离子掺杂主要占据了晶体中的O空位，从而降低了ZnO晶体中的本征缺陷，有利于其紫外发射。和其他方法生长的ZnO单晶相比，助熔剂-坩埚下降法生长的ZnO单晶具有低的电阻率，高的载流子浓度。