提拉法晶体生长过程的数值分析及模拟实验

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提拉法晶体生长工艺是目前晶体生长中应用最广泛的晶体生长方法,它特别适合于生长大直径的单晶。本文采用数值模拟方法,研究了传热对晶体生长的影响,包括以下几个方面:(1)建立了晶体的简化模型,熔体的简化模型和相应的数值计算方法;为了从总体上研究晶体生长的动态特性,首次导出了旋成体曲线座标系的SIMPLEC算法,并成功地应用于晶体生长的整体模拟。(2)根据凝固过程特点,提出了与相变而形状密切相关的相对温度梯度函数,并分析了各种控制参数对它的影响;结合晶体生长的整体模拟,认为晶体生长过程中相变面形状变凹的原因之一是相变面的中心区域晶体侧的流出的热流由于晶体的导热热阻增加而减少,导致凝固速率的下降。根据这些结果,改进了实际的晶体生长工艺,提高了晶体的质量。(3)分析了晶体和坩埚旋转对熔体中自然对流的影响,提出了晶体旋转通过引起与自然对流方向相反的二次流来抑制自然对流,而坩埚旋转则通过向熔体施加离心力场来抑制自然对流的物理机制。(4)数值计算表明,当熔体的雷利数和马拉贡尼数超过临界值时,熔体流动就会失稳,导致晶体中生长层的产生。(5)通过实验和Ozoe实验的结果与本文的数值模拟进行比较,定性地证实了数值计算的准确性和适应性。
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