分離結(jié)晶過(guò)程中熔體熱毛細(xì)—浮力對(duì)流的研究.pdf

1、新型分離結(jié)晶Bridgman法（簡(jiǎn)稱(chēng)：分離結(jié)晶法）完美地結(jié)合了傳統(tǒng)的Cz提拉法和垂直Bridgman法的優(yōu)點(diǎn)，成為熔體法生長(zhǎng)熱敏感性晶體材料的最佳方法。熔體法晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)自由表面上存在溫度梯度時(shí)，會(huì)在熔體內(nèi)部形成熱毛細(xì)對(duì)流。同時(shí)，常重力條件下由于熔體密度分布不均勻，還會(huì)導(dǎo)致熔體內(nèi)部產(chǎn)生浮力對(duì)流。熱毛細(xì)對(duì)流與浮力對(duì)流的存在，均會(huì)引起晶體生長(zhǎng)質(zhì)量的下降，分離結(jié)晶法也不例外。因此，掌握分離結(jié)晶過(guò)程中熔體內(nèi)部熱毛細(xì)－浮力對(duì)流的流動(dòng)規(guī)律，并

2、對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控成為分離結(jié)晶法生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體材料急需解決的科學(xué)問(wèn)題。本文即以分離結(jié)晶過(guò)程中熔體流動(dòng)為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值模擬與相關(guān)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行了較為深入的研究，重點(diǎn)探究熱毛細(xì)－浮力對(duì)流的流動(dòng)規(guī)律，得到了熔體內(nèi)部的速度分布與溫度分布，討論了Marangoni數(shù)、氣縫寬度、熔體高度以及軸向磁場(chǎng)對(duì)熔體流動(dòng)的影響，確定了熔體流動(dòng)失穩(wěn)的臨界Marangoni數(shù)，分析了流動(dòng)失穩(wěn)的物理機(jī)制。
　　主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：

3、r>　　首先，建立了分離結(jié)晶過(guò)程中控制晶體-熔體-坩堝氣液界面形狀的微分方程組，采用龍格-庫(kù)塔法對(duì)該微分方程組進(jìn)行了數(shù)值求解。結(jié)果表明，氣液界面兩側(cè)壓差和熔體-坩堝接觸角是影響氣液界面形狀和氣縫寬度的主要因素。αe+θc<180°時(shí)，氣液界面為一個(gè)凸向熔體側(cè)的彎液面，氣縫寬度隨著氣液界面兩側(cè)壓差的增大而減小，隨著接觸角的增大而減??；αe+θc>180°時(shí)，氣液界面為一個(gè)凸向氣體側(cè)的彎液面，氣縫寬度隨著氣液界面兩側(cè)負(fù)壓差的減小而增大，隨著

4、接觸角的增大而增大。當(dāng)熔體冷熱端氣壓差調(diào)節(jié)速率與結(jié)晶速率成線(xiàn)性變化時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的分離結(jié)晶過(guò)程。氣縫寬度的計(jì)算結(jié)果，為后續(xù)進(jìn)行熔體熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的數(shù)值模擬提供了參考依據(jù)。
　　其次，建立了分離結(jié)晶過(guò)程中熔體熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的物理數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在熱毛細(xì)力和浮力的共同驅(qū)動(dòng)下，熔體內(nèi)部存在上下兩個(gè)流動(dòng)方向相反的流胞。影響熔體內(nèi)熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的主要因素有Marangoni數(shù)、氣縫寬度

5、和熔體高度等。隨著Marangoni數(shù)的增大，熔體內(nèi)部流動(dòng)逐漸增強(qiáng)，當(dāng)Marangoni數(shù)超過(guò)某一臨界值后，熔體內(nèi)部流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)變成三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。同時(shí)，熔體內(nèi)部流動(dòng)隨著氣縫寬度和熔體高度的減小而增強(qiáng)，流動(dòng)失穩(wěn)的臨界Marangoni數(shù)隨著氣縫寬度的減小而增大，隨著熔體高度的減小略微減小。流動(dòng)失穩(wěn)的物理機(jī)制可以解釋為熔體內(nèi)溫度的變化與速度的變化二者不同步，導(dǎo)致熔體內(nèi)流胞流動(dòng)出現(xiàn)減弱-增強(qiáng)-減弱的周期性變化過(guò)程，當(dāng)這種周期性變化過(guò)程被擾動(dòng)放大

6、時(shí)，熔體流動(dòng)由穩(wěn)態(tài)流動(dòng)轉(zhuǎn)變成周期性振蕩流動(dòng)。
　　然后，對(duì)軸向磁場(chǎng)作用下分離結(jié)晶過(guò)程中熔體熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，軸向磁場(chǎng)能夠有效地抑制熔體內(nèi)部流動(dòng)，并隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，抑制效果增強(qiáng)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定程度后，磁場(chǎng)對(duì)熔體的抑制作用不再增加，說(shuō)明磁場(chǎng)只能抑制熔體流動(dòng)，并不能完全消除熔體內(nèi)的熱毛細(xì)-浮力對(duì)流。軸向磁場(chǎng)對(duì)熔體流動(dòng)的抑制機(jī)理歸因?yàn)閷?dǎo)電的熔體在軸向磁場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了與流動(dòng)方向相反的洛倫茲力，從而