泡生法藍寶石晶體生長的溫度場數(shù)值模擬研究.pdf

1、藍寶石因其卓越的物理化學(xué)性質(zhì)，在航天、軍事、民用等方面均得到廣泛的應(yīng)用。泡生法是目前生長藍寶石單晶的一種重要方法。本文對泡生法生長藍寶石單晶進行了數(shù)值模擬，為單晶爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和晶體生長工藝參數(shù)的調(diào)整提供理論上的指導(dǎo)。
　　計算分析了藍寶石晶體的溫度場分布規(guī)律與爐體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。分析頂部保溫屏的層數(shù)、側(cè)壁保溫屏的層數(shù)、反射屏開口半徑大小等對熱場的影響，得到了爐體各項結(jié)構(gòu)參數(shù)與溫度分布和溫度梯度的變化關(guān)系。模擬結(jié)果表明，適當減少頂部保

2、溫屏層數(shù)，增大反射屏開口，可以增加晶體徑向溫度梯度;適當增加頂部保溫屏層數(shù)，增大反射屏開口，可減小晶體軸向溫度梯度;而側(cè)壁屏層數(shù)幾乎無影響。
　　仿真計算了晶體不同生長階段晶體熔體中的溫度場和流場，并對仿真結(jié)果進行了分析。模擬結(jié)果顯示，溫度場呈現(xiàn)中心低邊緣高、上低下高的分布，晶頸部分等溫線較為密集，晶身部分較稀疏，熔體中的等溫線受熔體流動影響，分布較為復(fù)雜。在放肩階段，熔體極易出現(xiàn)雙渦旋;進入等徑階段，坩堝內(nèi)熔體流動軌跡變?yōu)閱螠u旋

3、。結(jié)合藍寶石單晶生長的實驗，利用便攜式光纖輻射測溫系統(tǒng)，測量實際溫度，與模擬結(jié)果進行對比驗證。
　　模擬計算了固液界面的形狀和溫度梯度，探討分析了生長速率對放肩和等徑階段藍寶石生長的影響。結(jié)果表明，固液界面凸出度在放肩階段較大，在等徑階段凸出度較小。在合理速率范圍內(nèi)，放肩階段0.5～2 mm/h，等徑階段2～5 mm/h，固液界面處溫度梯度和固液界面形變均隨速率的增大而減小，隨著晶體生長，生長速率對固液界面的影響越來越大。