垂直Bridgman法生长CaF2单晶传热过程的数值分析

采用有限元法对大尺寸氟化钙单晶的生长过程进行了传热分析,准稳态模型简化模拟计算过程.研究了梯度区不同的温度梯度对界面形状和晶体生长速度的影响,讨论了辐射传热对晶体生长过程传热的影响.研究表明:晶体生长过程中界面凸度发生变化;晶体生长速率与坩埚下降速率不一致;25 K/cm为合适的梯度区温度梯度;晶体内部辐射传热对单晶生长传热过程有重要影响.计算结果表明,3个时期的固相等温线的曲率小于液相的.根据数值模拟结果进行了晶体生长实验,生长出的晶体完整,透明,无宏观缺陷.     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体的径向溶质偏析之有限元分析法模拟

运用有限元分析软件Comsol Multiphys-ics,结合晶体生长固液界面曲率分析法,模拟了垂直布里奇曼法生长Cd0.9Zn0.1Te（CZT）晶体。研究了固液界面处曲率变化对于溶质径向偏析的影响,揭示了界面曲率与溶质偏析的内在关联性,并计算了数值。分析了3种晶体生长方式：（1）坩埚匀速生长;（2）两阶段坩埚变速生长;（3）坩埚回熔生长分别对于溶质偏析的影响。采用扫描电子显微镜SEM中的能谱仪EDX测量3种工艺的Zn组分分布：（1）模拟值比对实验结果发现可以运用固液界面的曲率平均值来推算溶质径向组分偏差的大小;（2）模拟推算的溶质径向偏差值更加接近于实验所得的溶质组分偏差最大值;（3）坩埚回熔生长法生长晶体的固液界面的波动性小,界面稳定性最好,溶质径向组分偏差也最小。     

强化换热对CdZnTe晶体生长过程的影响

为了优化CdZnTe晶体生长过程的工艺参数,利用数值模拟方法研究了强化换热对晶体生长过程固液界面凹陷、溶质组分偏析的影响.结果表明:当坩埚轴向散热强度大幅度增加时,固液界面前沿的对流显著增强;随着凝固过程的进行,固液界面凹陷深度先是显著减小,随后显著增加;晶体起始段溶质组分的径向偏析明显减小,溶质组分轴向等浓度区增长.当坩埚侧面径向散热强度增加时,固液界面前沿的对流和界面凹陷深度先是有所减弱,随后又有较大增加.当坩埚内壁碳膜厚度增加时,界面前沿的对流强度显著减弱,而固液界面凹陷深度明显增加.径向散热和碳膜厚度的增加皆不能明显影响晶体内溶质组分分布.     

ACRT技术对大尺寸ZnTe晶体溶液法制备及其性能影响

太赫兹(Terahertz,THz)技术在工业无损检测、科学研究和军事领域发挥着越来越重要的作用。作为太赫兹产生和探测最常用的电光晶体材料,ZnTe晶体在生长中依然面临众多挑战。为了制备大尺寸、均匀性好、高性能的ZnTe单晶,本研究在温度梯度溶液法生长ZnTe晶体过程中引入坩埚旋转加速技术,制备具有高结晶质量的ZnTe晶体。模拟计算得到不同坩埚旋转速度下生长界面处对流场和溶质分布,研究了坩埚旋转对晶体生长过程中的固液界面稳定性和晶体内Te夹杂分布的影响规律,证明坩埚旋转加速技术可以有效地促进熔体流动,改善溶质传质能力,稳定溶液法晶体生长的固液界面,不仅避免出现尾部混合相区,也减少了ZnTe晶体内Te夹杂相的数量并减小其尺寸。通过进一步优化坩埚旋转参数,制备出具有较高结晶质量的大尺寸ZnTe晶体(?60 mm)。同时,得益于晶体良好的均匀性,晶体对太赫兹的高响应区域超过90%,边缘效应小,满足太赫兹成像要求。研究表明,引入坩埚旋转加速技术为制备大尺寸ZnTe基电光晶体提供了新的思路。     

狭缝宽度及坩埚半径对分离结晶法制备CdZnTe晶体的影响

借助有限元法,在常重力条件下对分离结晶过程进行全局数值模拟,研究了狭缝宽度及坩埚半径对CdZnTe晶体生长过程中整体传热与流动特性的影响。模拟结果表明系统内传热特性、熔体流型与狭缝宽度及坩埚半径密切相关:(1)狭缝宽度对分离结晶有决定性的作用,当狭缝宽度较小时,气-液弯界面两端的温差很小,导致增大晶体重新粘附于坩埚壁面的风险;随着狭缝宽度的增大,流动不稳定性增加,很难保持稳定的气-液弯界面形状,增加了实现晶体稳定生长的难度;(2)随着坩埚半径增大,Marangoni对流对熔体流动影响逐渐增大,结晶界面附近的熔体流动不稳定性增加,这不利于晶体的稳定生长。     

泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究

利用计算机模拟对泡生法蓝宝石单晶各生长阶段的热应力进行了分析,发现晶体中最大热应力位于籽晶与新生晶体交界处或靠近固液界面的晶体边缘,其次位于晶体肩部。在此基础上,针对某一生长阶段讨论了加热器位置和坩埚形状对晶体中热应力分布的影响。结果表明:固液界面处的热应力随着加热器轴向中点与熔体轴向中点的距离L的增加先减后增,当L为190mm时,晶体中热应力最小;随着坩埚底部倒角半径的增加,固液界面处热应力呈上升的趋势。     

蓝宝石单晶的气孔形成研究

采用冷心放肩微量提拉法(SAPMAC法)生长的蓝宝石晶体, 气孔是其主要缺陷. 本文探讨了影响气孔形成的工艺因素, 从晶体生长动力学角度分析了气孔形成机理. 结果表明, 通过优化温场、选择合适的生长速度及控制微凸固/液界面形状, 可有效降低晶体中气孔的数量.     

热交换坩埚下降法制备大尺寸氟化铈晶体的热场设计与优化

随着CeF₃晶体在激光和磁光领域应用的持续发展,大尺寸、高光学质量的CeF₃单晶的需求日益急迫,而CeF₃熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF₃熔体低导热性引发的生长问题,探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制,本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method,HEB)生长大尺寸(?80mm)CeF₃晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明：当发热体长度与坩埚长度相适应时，更有利于构建合理的温度梯度场,而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF₃晶体结晶习性的理解,炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。     

坩埚下降法生长大尺寸Bi12GeO20晶体的宏观缺陷

Bi₁₂GeO₂₀晶体是一种多功能光电材料,在可见光范围内具有高速光折变响应,以及良好的压电、声光、磁光,旋光和电光等性能。目前,提拉法生长Bi₁₂GeO₂₀晶体,存在生长成本高、晶锭形状不规则、生长产率低、晶体光学质量差和有效晶体截面小等问题。本研究率先采用改进的坩埚下降法,在铂金坩埚和空气气氛中生长大尺寸Bi₁₂GeO₂₀晶体。通过各种分析测试方法研究生长获得的Bi₁₂GeO₂₀晶体中宏观缺陷的形态、分布和成分构成,探讨了晶体生长过程中主要宏观缺陷的形成过程和成因。坩埚下降法生长的Bi₁₂GeO₂₀晶体存在两种主要宏观缺陷：枝蔓状和管状包裹体。其中,枝蔓状包裹体与铂金溶蚀后的析晶相关,而管状包裹体与铂金析出、接种界面不稳定性和温度波动有关。本研究提出了消除坩埚下降法生长晶体中宏观缺陷的技术途径,通过降低生长控制温度、缩短高温熔体保持时间和优选籽晶等措施,可重复地生长...     

多晶硅锭定向凝固过程的温度场模拟

采用数值模拟方法研究了不同的工艺条件对多晶硅锭定向凝固过程中固液界面形状和温度梯度的影响,为优化多晶硅凝固过程的参数和有效控制定向凝固过程提供了参考依据。模拟结果表明,降埚速率越大,晶体生长速率越快,硅锭内温度梯度也随之增加,当降埚速率小于60mm/h时,固液界面始终保持凹界面;保持一定的降埚速率和冷源温度不变,改变多晶硅锭的冷却速率,坩埚内固液界面的形状基本保持不变,但冷却速率对晶锭内温度梯度的影响较明显,冷却速率越大晶锭内温度梯度越大。     

垂直布里奇曼法CdZnTe晶体生长过程的数值分析

模拟计算了半导体材料CdZnTe布里奇曼法单晶体生长过程，分析了熔体的过热温度、坩埚侧面强化换热以及坩埚加速旋转(ACRT)等因素对结晶界面的形态和晶体组分偏析的影响。结果表明：当熔体的过热温度减小时，熔体中自然对流的强度显著降低，固液界面的凹陷深度有所增加，晶体的轴向等浓度区显著加长，而晶体组分的径向偏析明显增大，坩埚的侧面强化换热增加了自然对流强度，也增大了固液界面的凹陷，但是对溶质成分的偏析影响较小，坩埚加速旋转引起的强迫对流强度远大于自然对流，显著增大了固液界面的凹陷，使熔体中的溶质分布成为均一的浓度场，显著减小了晶体组分的径向偏析，增加了晶体组分的轴向偏析。     

温度梯度和生长速率对CdZnTe-VBM生长晶体的影响

计算模拟了半导体材料CdZnTe垂直布里奇曼法(CdZnTe-VBM)单晶体生长过程，分析了炉膛温度梯度和坩埚移动速率对结晶界面形态和晶体内组份偏析的影响。计算结果表明炉膛温度梯度和生长速率的变化明显影响固-液界面前沿对流场的形态和强度。界面凹陷深度随着炉膛温度梯度的增加和生长速率减小而减小。炉膛温度梯度的增加和生长速率的减小虽然均能有效的减小径向偏析，但却增加轴向偏析，减小轴向等浓度区的长度。     

Global Simulation of CdZnTe Crystal Growth by Detached Solidification Method

Detached solidification represents perhaps the most exciting recent development for the growth of bulk, single-crystal materials from the molten phase. This method combines appealing characteristics of both the classical Bridgman and Czochralski methods, which can improve the crystal quality dramatically. In this paper, the global simulations of CdZnTe detached solidification are conducted with gap widths of 0, 0.5 and 1 mm. The temperature distribution, the stream function distribution and the shape of the melt/crystal interface are displayed and analyzed in microgravity and on earth.     

碲铟汞晶体制备及其热稳定性研究

以高纯Hg、In、Te单质为原料,通过元素直接化合反应合成了碲铟汞(MIT)多晶料,并利用合成的高纯多晶料,在特殊设计的坩埚中,采用垂直Bridgman法通过自发成核方式成功地生长了尺寸为Φ15mm×175mm的MIT单晶体.利用X射线粉末衍射技术对MIT晶体结构及物相进行的分析表明,所获得的晶体是单相的MIT晶体,为缺陷闪锌矿结构,空间群为F43m.采用高分辨X射线衍射仪测量了所生长MIT晶体的摇摆曲线,结果表明所得晶体完整性较好,为高质量的单晶体.对所生长的MIT晶体进行了热分析,发现在MIT晶体中有Hg溢出现象.     

Effective Increase of Crystal Area during Sublimation Growth of 6H-SiC by Using the Cone-shaped Baffle

A novel design of crucible is proposed in this paper for the growth of SiC crystals. The relation between grown crystal shape and temperature distribution in a growth chamber was discussed. It is pointed out that the crystal shape had a close relationship with temperature distribution. The calculations suggested that the radial temperature field of the growing crystal became homogenous by setting up the cone-shaped baffle in the growth chamber. By modifying the crucible design and temperature distribution in the growth chamber, it is possible to enhance the enlargement of crystal, and also possible to keep grown surface flat.     

晶体生长三维实时观察技术研究

最近建立一套用干晶体三维实时观察的装置,主要分为光学观察部分,晶体生长部分,结果处理部分．采用二目观察法记录晶体生长和流体运动．设计并制造适于Ｂｒｉｄｇｍａｎ法晶体生长的生长炉和坩埚．初步观察到ＮａＮＯ_３晶体的固液界面形貌,并通过图像处理软件还原为三维真实图像．     

PMN-PT弛豫铁电固溶体的定向凝固组织与结晶习性

研究了(1-x)Pb(Mg1／3Nb2／3)O3-xPbTiO3(简称PMN—PT或PMNT)系铁电固溶体在坩埚下降法定向凝固过程中的结晶与晶粒生长习性．结果表明，随着坩埚下降速度的加快和PbTiO3含量的降低，陶瓷晶粒的择优生长方向由[111]逐渐向[110]转变．