横向磁场下分离结晶过程熔体热毛细—浮力对流的数值模拟

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Czochralski提拉法和Bridgman定向凝固法作为传统的晶体生长方法,既有各自明显的优势,又有着不可忽视的不足。分离结晶法的出现则很好地融合了二者的优点,并有效规避了二者的负面影响,从而使晶体生长的质量大大提高。不可否认,分离结晶法毕竟仍属于从熔体中生长晶体的方法,难免会受到浮力对流和热毛细对流的作用而使晶体的性能受到影响。克服对流影响的主要方法有施加微重力环境和磁场。本文尝试添加横向磁场来削弱熔体内部的热毛细-浮力对流,从而为地面条件下分离结晶法的应用提供参考。  CdZnTe晶体是一种有着光明应用前景的半导体材料,迄今已应用于医学成像、工业仪表、核武探测等多个领域。本文针对常重力条件、熔体顶部为自由表面时,横向磁场下分离结晶法生长CdZnTe晶体过程的熔体部分建立三维物理模型和数学模型,通过FLUENT软件模拟熔体内部的对流传热,得到不同熔体高度、狭缝宽度、壁面温差和磁场强度下的流场和温度场,并就横向磁场对熔体流动的影响进行了分析。  数值模拟结果表明:(1)适当增加熔体高度,可以减小熔体上、下自由表面的流速,削弱熔体内部的热毛细-浮力对流。磁场对较大熔体高度的流动抑制作用更强。(2)适当减小狭缝宽度,上自由表面熔体流速变化很小,下自由表面流速大幅度下降。狭缝宽度越大,磁场对熔体内部流动的抑制作用越强。(3)适当减小坩埚壁面温差,可以同时减小熔体上、下自由表面的流速。壁面温差越大,磁场对熔体内部流动的抑制作用越强。(4)施加横向磁场可以明显抑制熔体内部的热毛细-浮力对流,抑制作用随着磁场强度的增强而增强。但磁场强度的选择有一个合适的经济范围,超出一定范围后,再加大磁场强度,对熔体流动的削弱作用增加甚微。
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