微重力環(huán)境下液橋對流及其磁場控制的數值模擬研究.pdf

1、浮區(qū)法（Floatingzone）是一種無坩鍋容器接觸、生長高質量單晶的重要晶體生長技術。在空間微重力環(huán)境下，熔體靜壓力極度減小，浮區(qū)法可以突破小尺寸晶體生長的限制；同時，熔體浮力流亦極度減弱，可以避免不穩(wěn)定浮力流對晶體質量的影響。微重力條件下，表面張力流成為熔體中的主要對流，研究浮區(qū)法晶體生長中的表面張力流及其控制對生長高質量晶體具有重要意義。本論文針對研究浮區(qū)法對流的典型模型――半浮區(qū)(Half-zone)液橋模型，采用有限體積法，

2、對空間浮區(qū)法晶體生長中的表面張力流及其磁場對流控制進行了一系列的數值模擬研究。
　　當表面張力流雷諾數（Reynolds number:Re）較小時，液橋的半導體熔體對流是定常、二維軸對稱結構；隨雷諾數的增大、超過某一臨界值（第一次失穩(wěn)的臨界雷諾數Rec1)，對流變?yōu)槿S、定常流動；隨雷諾數進一步增大、超過臨界值（第二次失穩(wěn)的臨界雷諾數Rec2），熔體對流演化為三維、非定常振蕩對流。對流結構的突變對晶體品質有不利影響，因此研究對流

3、失穩(wěn)的臨界雷諾數很重要。本文首先研究了表面張力流第一次對流失穩(wěn)的臨界雷諾數與液橋體積的關系；對流第一次失穩(wěn)后變?yōu)橹芟驕u對數為m的三維對流，m值與液橋幾何尺寸的關系本文也進行了討論。
　　晶體質量控制的關鍵之一是熔體對流的控制。由于洛倫茲力的作用，磁場可控制導電性流體的對流。盡管半導體在室溫下接近于絕緣體，但半導體熔體卻像金屬一樣具有良好導電性，外部靜態(tài)磁場作用可以有效地抑制液橋表面張力流。本文數值研究表明：均勻軸向磁場作用下，對流

4、趨向于軸對稱，但受抑制的表面張力流在徑向無法穿透液橋，對流主要集中于自由表面附近，而液橋中心區(qū)域對流相對很弱，該對流結構不利于晶體生長摻雜的徑向均勻分布；在均勻橫向磁場作用下，對流的軸對稱性環(huán)境受到破壞，其不利于良好的生長界面的形成。
　　在研究均勻磁場對流控制的基礎上，本文進一步研究了線圈產生非均勻磁場的對流控制。在軸向單載流線圈產生磁場的作用下，對流趨向于軸對稱，液橋平均速度和最大速度都隨著載流線圈半徑的增大而增大，并隨著載流

5、線圈從低溫端往高溫端移動亦逐步增大。數值結果顯示：軸向二載流線圈產生的CUSP磁場可以有效抑制自由表面附近的對流，其平均速度和最大速度都隨著線圈半徑的增大而增大；對于理想的圓柱形液橋，通過 CUSP磁場對稱面較強的徑向分量來抑制局部強烈的對流并不能達到整體最強的抑制效果。雖然橫向二載流線圈磁場和橫向四載流線圈磁場均會破壞對流的軸對稱性環(huán)境，但較均勻橫向磁場有所改善。橫向二載流線圈磁場作用下，液橋對流的速度隨著線圈半徑的增大先減小、后增大

6、；隨著兩線圈的距離的增大對流速度是增大的；液橋對流結構隨著線圈的半徑和兩線圈的相對位置而不斷變化，隨著線圈半徑的減小和線圈之間距離的增大，液橋對流趨向于相對合理的對流結構。對橫向四載流線圈磁場的研究中，同樣存在一個對對流的抑制作用最強的優(yōu)化線圈半徑，與橫向二載流線圈磁場相比，其對流結構和溫度分布有進一步改善。通過對比研究，軸向二載流線圈磁場對對流的抑制和對流結構的優(yōu)化優(yōu)于橫向二載流線圈磁場和橫向四載流線圈磁場。
　　本文還研究了軸

7、向單載流線圈、軸向二載流線圈和橫向四載流線圈組合產生的非均勻磁場對對流的影響。利用單獨各種圈磁場分布的優(yōu)點組合線圈磁場可以更加有效地抑制對流、改善對流結構。
　　本文最后研究了磁場對變形液橋的影響。軸向均勻磁場對凸液橋和凹液橋對流的影響的研究結果表明，軸向均勻磁場對凸液橋的抑制作用強于對凹液橋的抑制作用；對于軸向二載流線圈產生的非均勻磁場，研究對稱面位于不同位置時的液橋對流，通過把磁場對稱面布置于凹液橋局部對流比較強烈的區(qū)域時，磁