三溫區(qū)泡生法藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的數(shù)值模擬.pdf

1、本文利用數(shù)值模擬的方法分析了三溫區(qū)泡生法藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)過程中的內(nèi)部輻射、熔體對(duì)流、加熱器功率配比的影響，并對(duì)泡生法藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。
　　（1）內(nèi)部輻射對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。晶體內(nèi)部輻射的存在使系統(tǒng)內(nèi)的溫場(chǎng)和流場(chǎng)更加均勻，降低了晶體應(yīng)力；隨著晶體內(nèi)部輻射吸收系數(shù)的增加，晶體傳熱能力降低，熔體的熱量不能通過晶體很好地導(dǎo)走，熔體平均溫度隨之增加，固液界面凸出率也隨之減小，晶體內(nèi)部溫度梯度隨之增加；熔體內(nèi)部輻射的存在增

2、加了系統(tǒng)的熱傳遞的能力，使熔體內(nèi)部對(duì)流加劇，熔體通過對(duì)流把更多的來自坩堝的熱量帶到結(jié)晶前沿，使熔體內(nèi)部溫度分布更加均勻，同時(shí)降低了系統(tǒng)溫度梯度和晶體應(yīng)力。
　　（2）熔體對(duì)流對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。在晶體生長(zhǎng)轉(zhuǎn)肩階段，Marangoni對(duì)流的存在使界面凸出率增加了39.8％，并影響了熔體對(duì)流狀態(tài)，引起了轉(zhuǎn)肩階段的晶體顳部凹陷。當(dāng)晶體生長(zhǎng)到中部時(shí)，順時(shí)針漩渦暴露在三相點(diǎn)附近，造成了晶體腰部重熔。在收尾階段，Marangoni對(duì)流大大增加了

3、自由表面附近的漩渦強(qiáng)度，該漩渦由一個(gè)漩渦變成兩個(gè)旋渦，并引起了固液界面翻轉(zhuǎn)。界面反轉(zhuǎn)增加了位錯(cuò)密度和熱應(yīng)力，引起了晶體底部開裂，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)圖片相吻合。
　?。?）加熱器功率配比對(duì)界面穩(wěn)定性的影響。在收尾階段，Marangoni對(duì)流對(duì)熔體傳熱的貢獻(xiàn)和自然對(duì)流同等重要，因而收尾階段熔體對(duì)流模式的變化是界面失穩(wěn)的直接原因；收尾階段的低界面前沿溫梯使界面的抗干擾能力大大下降，并且復(fù)雜熔體對(duì)流模式更容易地影響了界面穩(wěn)定性，因此收尾階段的

4、界面前沿較低的溫度梯度是界面失穩(wěn)的間接原因。另外，在收尾階段，底部加熱器功率的增加能抑制界面反轉(zhuǎn)的發(fā)生，但由于晶體較弱的導(dǎo)熱能力固液界面仍然是不穩(wěn)定的；上部加熱器功率的降低能進(jìn)一步改善界面穩(wěn)定性。
　?。?）泡生法藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討。通過藍(lán)寶石晶體、鉬坩堝和鎢坩堝的熱膨脹系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)選擇鎢鉬合金坩堝更有利于藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)，并且粘鍋能引起晶體開裂，而側(cè)部粘堝比底部粘堝更容易引起晶體開裂；提出的改良泡生法生長(zhǎng)的大尺