KDP晶體生長動力學的數(shù)值模擬研究.pdf

1、計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是建立在經(jīng)典流體力學與數(shù)值計算方法基礎之上的一門新型獨立學科，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間定量描述流場的數(shù)值解，從而達到對物理問題研究的目的。它兼有理論性和實踐性的雙重特點，建立了許多理論和方法，為現(xiàn)代科學中許多復雜流動與傳熱問題提供了有效的計算技術。
　　晶體材料在國民經(jīng)濟和科學技術中占有重要的地位，晶體生長技術的改進和突破，意味

2、著給電子技術、計算機技術和激光技術等領域帶來新的進步和飛躍。由于大部分晶體材料是由熔體或溶液生成的，因此晶體生長技術與流體力學有著密切的關系。在晶體生長過程中伴隨的傳質(zhì)、傳熱及復雜的流動現(xiàn)象直接影響所生成的晶體的質(zhì)量。目前國內(nèi)生長大尺寸KDP晶體的方法有傳統(tǒng)降溫法和快速生長法。傳統(tǒng)法生長的晶體光學質(zhì)量好，但是生長周期較長，風險大，成本高，所以在保證光學質(zhì)量的基礎上如何提高晶體的生長速度成為迫切需要解決的問題之一;快速生長法采用“點籽晶”

3、技術在高溫高過飽和度下實現(xiàn)全方位的晶體生長，使晶體的生長速度增大10-15倍，但是晶體的光學質(zhì)量明顯低于傳統(tǒng)法生長的晶體，如何選擇一個合適的生長速度保證晶體的順利生長，提高晶體的光學質(zhì)量成為首要解決的問題之一。
　　KDP晶體在生長過程中，影響其生長的因素很多，比如溫度均勻性，晶體表面的溶液流動狀態(tài)、過飽和度分布、邊界層厚度以及溶液穩(wěn)定性等，通過傳統(tǒng)的實驗方法很難測得晶體附近的溫度分布、溶液的流動狀態(tài)、過飽和度分布以及邊界層厚度等

4、。而利用數(shù)值模擬可以很好的解決這個問題。所以本論文采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了動力學因素對傳統(tǒng)法和快速生長KDP晶體生長動力學和溶液的穩(wěn)定性的研究。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.用傳統(tǒng)降溫法在不同轉(zhuǎn)速下生長了KDP晶體，主要觀察了轉(zhuǎn)速的改變所帶來的晶體成帽情況的改變，同時也利用Fluent軟件對晶體生長過程中的溫度場和速度場進行了數(shù)值模擬計算，研究轉(zhuǎn)速對晶體成帽的影響。晶體轉(zhuǎn)速較低為9和15轉(zhuǎn)/min，溫度分布比較均勻，

5、所以晶體只出現(xiàn)一個帽區(qū)，但溫度較高，成帽較慢;晶體轉(zhuǎn)速較高為55和77轉(zhuǎn)/min時，溫度分布也比較均勻，相應的晶體也只有一個帽區(qū)，此時溫度較低，成帽較快;晶體轉(zhuǎn)速介于兩者之間時，溫度分布出現(xiàn)擾動，晶體出現(xiàn)兩個或多個帽區(qū)，溫度介于兩者之間，成帽速度也介于兩者之間。隨著晶體轉(zhuǎn)速的加快，晶體表面晶體與溶液的相對速度增大，生長邊界層厚度減小，晶體成帽速度加快。所模擬的晶體轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，較高轉(zhuǎn)速77轉(zhuǎn)/min是晶體帽區(qū)恢復的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。通過數(shù)值計算不

6、同籽晶位置時晶體表面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)籽晶位置距離溶液底部1、2和3cm時溫度分布都比較均勻，有利于晶體成帽有一個帽區(qū);而籽晶位置距離溶液上部1、2和3cm時，溫度分布出現(xiàn)擾動，晶體成帽容易出現(xiàn)兩個或多個帽區(qū)。當籽晶位置距溶液底部2cm時溫度比1和3cm時稍低，此時過冷度稍大，晶體生長稍快，所以籽晶的最佳位置為距離溶液底部2cm處。
　　2.用傳統(tǒng)降溫法在不同轉(zhuǎn)速下生長了KDP晶體，考察轉(zhuǎn)速對晶體生長的影響。運用流體力學軟件對晶體生

7、長過程中的溫度場和速度場進行了數(shù)值模擬，結(jié)合實驗與數(shù)值計算結(jié)果可知，晶體轉(zhuǎn)速較低時(9和15轉(zhuǎn)/min)時，溫度分布比較均勻，但溫度較高，晶體生長稍慢，與降溫程序不匹配造成過飽和度積累，晶體生長過程中出現(xiàn)較多雜晶;當晶體轉(zhuǎn)速增大至(22-40轉(zhuǎn)/min)，溫度較低，晶體生長較快，但是強迫對流還不能足以消除自然對流帶來的溫度擾動，仍有雜晶出現(xiàn);當晶體轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(55和77轉(zhuǎn)/min)，攪拌消除了自然對流帶來的溫度不均勻性，同時轉(zhuǎn)速的增

8、大帶來的晶體生長加快與降溫程序匹配較好，雜晶偶爾出現(xiàn)。隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大，晶體表面的溶液流速愈來愈大，往晶體表面輸運的物質(zhì)越多，晶體生長越來越快。所以較高轉(zhuǎn)速(55和77r/min)較于較低轉(zhuǎn)速(9.0-40r/min)更有利于晶體生長。保持晶體轉(zhuǎn)速77轉(zhuǎn)/min不變時:晶體尺寸由3變化到5cm時，徑向線上的溫度分布比較均勻，即晶體尺寸的改變對水平方向上的溫度分布幾乎沒有影響;但是軸向線上的溫差由晶體3cm時的0.179K逐步增大到5c

9、m時的0.204K。改變晶體尺寸由3到4.5cm時，槽內(nèi)溫差隨晶體尺寸的增大逐步減小;而晶體尺寸由4.5到5cm時槽內(nèi)溫差有小幅增大，即隨著晶體尺寸的增加，晶體轉(zhuǎn)速應適當調(diào)低。
　　3.用“點籽晶”快速生長技術生長了不同轉(zhuǎn)速下的KDP晶體，同時對晶體生長過程中的速度場分布和流動狀態(tài)的改變進行了數(shù)值計算，結(jié)合實驗現(xiàn)象與計算結(jié)果表明，晶體轉(zhuǎn)速在9到100轉(zhuǎn)/min范圍，晶體生長速度隨轉(zhuǎn)速提高而加快，無雜晶出現(xiàn);轉(zhuǎn)速在100到120轉(zhuǎn)/

10、min時，溶液的流動狀態(tài)由層流到湍流的過渡，造成溶液的不穩(wěn)定性，進而有雜晶出現(xiàn);轉(zhuǎn)速在200到300轉(zhuǎn)/min時，溶液流速太快，由更多的層流轉(zhuǎn)變成湍流，溶液穩(wěn)定性更差，溶液中容易出現(xiàn)雜晶進而發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象，無法繼續(xù)晶體的生長。所以初始階段適于晶體生長的最大轉(zhuǎn)速是100轉(zhuǎn)/min。保持晶體轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/min不變，考察晶體尺寸的改變對晶體生長的影響。隨著晶體尺寸的增加，雷諾數(shù)增大，過渡段湍流成分較高，溶液穩(wěn)定性較差，雜晶出現(xiàn)幾率增大，晶

11、體轉(zhuǎn)速應適當調(diào)低。同時對兩種籽晶架結(jié)構(gòu)所帶來的速度場的變化進行了數(shù)值模擬計算，相同攪拌速度下，兩根柱子的籽晶架帶來的溶液流動速度相比四根柱子時稍大，往晶體表面輸運的物質(zhì)較多，這種情況下邊界層厚度較薄，越有利于晶體的快速生長。
　　4.用“點籽晶”快速生長技術在不同轉(zhuǎn)速下生長了一系列KDP晶體，研究了動力學參數(shù)對晶體生長速度和晶體生長的影響。同時采取數(shù)值模擬計算的手段，根據(jù)實驗室所用實驗裝置建立幾何模型，對KDP晶體生長過程中的對過

12、飽和度和邊界層厚度進行了數(shù)值計算。晶體轉(zhuǎn)速在9-100轉(zhuǎn)/min范圍時，晶體表面的過飽和度隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大而增大，生長速度也隨著相應的增大，生長過程中無雜晶出現(xiàn);晶體轉(zhuǎn)速較低時(9和15轉(zhuǎn)/min)，自然對流占優(yōu)勢，由于重力的作用，晶體底部溶質(zhì)濃度高，上部溶質(zhì)濃度低，晶體晶面出現(xiàn)溶質(zhì)供應不均勻，晶體生長過程中容易出現(xiàn)包藏。隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大，強迫對流增強，能夠消除自然對流帶來的晶面溶質(zhì)供應不均勻，晶體能夠透明生長;晶體轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至(

13、120-300轉(zhuǎn)/min)時，過飽和度的梯度增大，生長溶液穩(wěn)定性的下降，溶液中易出現(xiàn)雜晶或者“雪崩”。晶體轉(zhuǎn)速由9變化到300轉(zhuǎn)/min時，隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大生長邊界層的厚度δ減小。體過飽和度的改變對晶體表面中心處的邊界層厚度影響不大，邊界層厚度只與攪拌速度密切相關的。
　　5.實驗研究了不同轉(zhuǎn)速和有無籽晶對KDP快速生長溶液的穩(wěn)定性的影響，實驗結(jié)果表明，攪拌速度由9至300轉(zhuǎn)/min時，自發(fā)結(jié)晶的溫度逐漸升高，表明亞穩(wěn)區(qū)的寬度變

14、窄、溶液穩(wěn)定性變差;轉(zhuǎn)速達到200-300轉(zhuǎn)/min時，溶液穩(wěn)定性極差，溶液極易出現(xiàn)雜晶進而發(fā)生“雪崩”。此外，溶液中加入籽晶后，亞穩(wěn)區(qū)的寬度與未加入籽晶時基本一致，這表明引入籽晶對溶液中自發(fā)結(jié)晶的溫度沒有明顯的影響，即溶液中出現(xiàn)的雜晶并不是由于加入籽晶可能導致的二次成核引起的而是由于引入籽晶操作程序影響了溶液穩(wěn)定性所致。同時對不同轉(zhuǎn)速下的溶液流動情況進行了數(shù)值模擬計算。發(fā)現(xiàn):
　　(1)攪拌速度較低時(9和15轉(zhuǎn)/min)溶液流

15、動為層流，溶液穩(wěn)定性較好;
　　(2)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至(22-106轉(zhuǎn)/min)，溶液流動為層流到湍流的過度，隨著轉(zhuǎn)速的增大，溶液穩(wěn)定性越來越差;轉(zhuǎn)速增至(120和300轉(zhuǎn)/min)時，溶液流動為完全湍流，溶液穩(wěn)定性顯著降低，溶液中極易出現(xiàn)雜晶進而“雪崩”。溶液穩(wěn)定性變差的機理可能與轉(zhuǎn)速升高引起的湍流動能耗散率和渦量的大小有關，即溶液流體的旋轉(zhuǎn)動能更多地轉(zhuǎn)化為熱運動能，為溶液跨過成核勢壘提供了更多的可能;
　　(3)要保持溶液