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。     

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。     

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。     

共晶陶瓷区熔过程中对流和传热的研究

氧化物共晶陶瓷具有优异的超高温力学性能和抗氧化性。为获得具有精细组织的共晶陶瓷,采用有限元法计算模拟了Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷的区域熔炼定向凝固过程。计算结果表明,热重引起的自然对流,呈逆时针环形流,整个凝固过程中流动强度先减小后增大,固液界面呈明显的凹形界面。ACRT强迫对流的特征为逆时针、顺时针对流胞交替呈现,强度比自然对流大1~2个数量级。施加ACRT后,凝固过程中固液界面仍然呈凹形界面,但是凹陷深度显著减小;当坩埚最大转速增大时,对流强度显著增加,固液界面的凹陷深度进一步减小,直至趋近于平界面。     

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。     

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。     

Bridgman法晶体生长中的溶质分凝与偏析

Bridgman法从1925年问世至今,已经演变出多种控制方式,成为金属定向凝固和人工晶体生长的核心技术.由于溶质分凝导致的成分偏析是Bridgman法生长固溶体型晶体材料中遇到的一个难题.本文从溶质分凝的热力学原理和溶质传输的动力学分析入手,探讨了Bridgman法晶体生长过程中溶质分凝和偏析形成的基本原理和规律.进而分析了溶质分凝与温度场的耦合关系以及对流对溶质分凝行为的影响.最后,结合CdZnTe晶体生长过程,分析了溶质分凝与偏析的控制在实际晶体生长过程的应用.     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体时坩埚下降速度的优化研究

在垂直布里奇曼法(VBM)晶体生长的过程中,坩埚下降速度和晶体生长速度之间的关系对生长出来的晶体质量有很大的影响。本文采用有限元法对探测器材料CdZnTe的晶体生长过程进行了热分析,主要研究了不同的坩埚下降速度对生长过程中晶体生长速度及固液界面形状的影响,发现材料的热导率和相变潜热的比值是影响固液界面形状的主要内因。模拟结果表明,当坩埚下降速度Vp≈1mm/h时,其数值与晶体生长速度接近相等,可获得接近水平的固-液界面。实际的晶体生长实验结果与计算机模拟的结论基本一致。因此,通过适当的选择和调节坩埚下降速度是获得高质量晶体的可行技术方案。     

在横向磁场中用Bridgman法生长HgCdTe晶体

在横向磁场中用Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长的晶锭其轴向组分分布在中部和尾部具有相同的趋势,在头部有三种类型的分布。磁场通过对固液混合区对流的作用影响溶质的再分布和轴向组分分布。突然施加磁场和中断磁场都引起轴向组分分布的突变。当安瓿绕生长轴匀速旋转时,晶锭的径向组分分布既没有安瓿不旋转时的偏心特征,也没有常规Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长晶体的径向对称性,尾部呈现圆锥状的凸起,可能是旋转生长抑制胞状结构的证据。     

导模法生长 Al2O3单晶温场的理论计算

用光线导向模型建立了描述Ａｌ２Ｏ３单晶内部热量交换的二维方程,用有限元法计算了Ａｌ２Ｏ３单晶的温度场,分析了片状Ａｌ２Ｏ３单晶温场及其变化规律．研究结果表明,对流换热系数影响晶体的温度分布,固液界面越远,影响效果越显著,对流换热系数的增大使晶体温度降低．晶体生长速率增大使结晶前沿的温度梯度增大．晶体较长时,距固液界面较近的晶体的温场可以认为是准稳态温场．     

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。     

Experimental study of radial segregation caused by weak convection

Under conditions of weak convection in the liquid during metal solidification and crystal growth, large chemical inhomogeneities can occur due to insufficient mixing of the melt. In this project a series of experiments with increasing melt flow, driven by thermo-capillary forces, have been performed in a Get Away Special flight. The level of convection was evaluated quantitatively from analysis of axial segregation profiles. As expected a significantly stronger radial segregation has occurred in the space grown material compared to ground based reference experiments. It was also found that there was a shift of the position of maximum concentration when the flow was increased. Unexpected axial solute maxima were also revealed in the space samples. A comparison was made to numerical simulations, and good correlations were found to first order effects.     

定向凝固法多晶硅杂质控制数值模拟概述

在传统能源日渐消耗及可再生能源开发利用日趋受到重视的形势下,太阳能光伏发电逐渐成为最具潜力的可再生能源技术之一。多晶硅凭借高效率、低成本的优势成为最主要的光伏材料,其铸锭的品质和成本将直接影响太阳能电池的成本和光电转换效率。定向凝固法是制备多晶硅铸锭的重要方法,该方法晶硅生长过程中存在很多问题,包括熔体流动、杂质传输、固液界面的形状和结构以及缺陷。定向凝固过程中引入的有害杂质严重影响晶硅的机械和电学性能,是限制多晶硅光电转换效率的关键因素。长晶过程中定向凝固炉处于高温环境中,内部的传热传质极其复杂,不具备单一的线性关系和可推断性,且难于进行实验测量,因而数值模拟是研究定向凝固过程中传热传质现象的重要方式。降低长晶过程中杂质的含量可从两方面入手:(1)杂质的来源——原材料本身所携带的杂质和长晶过程中生成的杂质;(2)杂质的输运——找到杂质在熔体和氩气中的输运规律,并利用该规律控制杂质的分凝与输运。近年来,从控制杂质产生和输运的角度考虑,国内外对降低多晶硅中有害杂质的研究主要采用以下手段:(1)控制杂质产生,包括减缓坩埚与挡板之间的化学反应、优化顶部坩埚盖板、增设碳化硅涂层等;(2)优化氩气流动,例如使用导流系统、调整炉膛压力和氩气流量;(3)优化熔体对流形式,包括控制熔体流动方式及分凝、调整加热器功率大小及其排布、采用可旋转坩埚和调整石墨碳毡位置等。为进一步降低定向凝固法多晶硅铸锭成本,坩埚尺寸和投料量不断增大,熔体对流、杂质输运和界面形状也更加难于控制,外加磁场则成为控制熔体对流的一种强有力工具,并能进一步控制杂质输运。目前利用外加磁场控制定向凝固法多晶硅杂质的研究仍刚刚起步,具有很大的研究价值,其中电磁场(EMF)和行波磁场(TMF)在控制搅拌熔体对流方面具有巨大潜力,逐渐被用于多晶硅长晶过程。本文在深入分析杂质来源和输运机理的基础上,综述了国内外对多晶硅定向凝固过程中有害杂质的产生、分布、输运以及排出等问题的研究现状,总结了数值模拟中氩气导流系统、加热器以及外加磁场等因素对杂质的影响。     

Cd0.96Zn0.04Te单晶生长及晶体成分偏析

采用常规Ｂｒｉｄｇｍａｎ法和ＡＣＲＴ－Ｂ法进行Ｃｄ０．９６Ｚｎ０．０４Ｔｅ晶体生长实验。结果表明：ＡＣＲＴ产生的强迫对流在很大程度上消除了侧壁形核，有利于获得大的晶体；ＡＣＲＴ的加入提高了有效分凝系数ｋｅｆｆ，使其向平衡分凝系数ｋｅｑ趋近，导致轴向的偏析增大。     

轴向磁场下分离结晶熔体内热毛细对流的数值模拟

为研究轴向磁场对分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体熔体热毛细对流的影响,采用有限差分法进行了三维数值模拟。结果表明轴向磁场能有效抑制熔体内的热毛细对流;轴向磁场对熔体内部温度分布也有较大的影响,能使等温线分布变得平缓;当磁场强度不变时,随着狭缝宽度的增大熔体内部的流动减弱。     

A numerical simulation study for the Czochralski growth process of Si under magnetic field

The article presents results of the numerical simulations carried out for the transport phenomena occurring during the Czochralski crystal growth process. Due to computational constraints, the simulations were kept limited to axisymmetric geometries. The simulation model gives special attention to the crystal–melt interface and oxygen transport, and treats the crystal–melt interface according to Stefan’s balance, by explicitly moving the grids. Oxygen evaporation at the free surface is expressed by balancing the corresponding fluxes. Marangoni convection due to temperature gradients is also incorporated into the model. The role of an applied axial magnetic field in controlling fluid flow, interface shape, and oxygen levels is studied in detail. The effect of crystal and crucible rotations is also examined under the influence of the magnetic field. Simulation results show that the application of an axial magnetic field leads to flatter interfaces and lower oxygen concentration levels, but makes the oxygen distribution non-uniform at the crystal–melt interface.     

Tailoring of dendritic microstructure in solidification processing by crucible vibration/rotation

Directional solidification of alloys, which allows the independent control of growth parameters (pulling velocity, temperature gradient), is an experimental method of choice for the investigation of many fundamental problems (e.g. microstructure formation and selection, segregation of chemical species) encountered in the processing of structural materials. Upward directional solidification is carried out on hypoeutectic Al-Ni alloys, under natural and controlled fluid-flow conditions. First, the influence of natural convection on solidified dendritic microstructure is analyzed as a function of growth parameters. Then, directional solidification experiments with axial vibration are performed. It results that crucible vibration can be used to either damp or control fluid flow in the melt, and thus tailor columnar or “equiaxed” dendritic mush. Advanced modeling and numerical simulation are essential to clarify and quantify the various physical effects. Microgravity benchmark experiments under diffusion transport, and possibly with crucible rotation, are foreseen using the Materials Science Laboratory of ESA on ISS.