勾形磁场下分离结晶法生长CdZnTe晶体的全局数值分析

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传统的熔体生长法有Czochralski提拉法和Bridgman定向凝固法,这两种方法存在着各自的优缺点,而新型分离结晶Bridgman方法结合了他们的优点,能生长出高质量的晶体。但是,它仍然属于熔体生长法,晶体的化学和物理性能将会受到坩埚内熔体的流动的影响。通过施加磁场能有效控制熔体的流动,从而进一步改善生长过程。CdZnTe晶体是一种有着广泛应用前景的半导体材料,常应用于医学成像与诊断、环境监测、工业测量和天体物理等领域。至今,关于CdZnTe晶体的研究多集中在实验方面,而新型分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体的理论研究更是很少,因此进行该方面的研究具有重要的理论价值和工程意义。为了了解勾形磁场下相关参数对CdZnTe晶体生长的影响,利用有限元法对坩埚内的热量和动量传递过程进行了全局数值模拟。分析了不同的磁场结构、磁场强度、重力水平、温度梯度及坩埚半径对CdZnTe晶体生长过程的影响,得到了这些相关参数对熔体内速度场、温度场的影响规律。数值模拟的结果表明:(1)当磁场中心面在熔体-晶体交界面上方10mm时,磁场在熔体上下区域及坩埚壁面附近高密集分布,能够很好地抑制浮力对流、减弱热毛细对流,从而削弱整个熔体区内的流动。(2)随着磁场强度的增大,洛伦兹力对熔体内部流动的抑制作用逐渐增强,当磁场强度达到2.0T时,上自由表面速度线变得平坦,速度分布变得很均匀,有利于晶体的稳定生长。(3)随着重力水平的提高,熔体内的最大流函数增大,流动变得越来越强烈,当施加的磁场强度达到2.0T时,熔体内的浮力对流和热毛细对流明显地被削弱。(4)随着壁面温度梯度的增大,坩埚内的温度梯度逐渐增大,结晶界面逐步向上移动,以致熔体区不断缩小,熔体的流动加强,不利于晶体的稳定生长。通过施加磁场,既能保证晶体的生长速率,又能将熔体的流动控制在一定范围。(5)随着坩埚半径的增大,坩埚内的最大流函数增大,等温线变密,坩埚内的温度梯度随之增大,熔体的流动增强。研究表明,磁场对大尺寸坩埚内熔体流动的抑制作用更加有效。
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