双向温度梯度耦合作用下Cz法晶体生长中溶体Marangoni-热毛细对流的研究

发布时间：2017-07-14 08:17

  本文关键词：双向温度梯度耦合作用下Cz法晶体生长中溶体Marangoni-热毛细对流的研究

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【摘要】：Czochralski(Cz)法是人工晶体生长方法中最重要的一种熔体生长方法,广泛应用于工业上单晶硅的生产。熔体的流动对晶体生长系统内的传热传质起着十分重要的作用,在实际的晶体生长过程中,热对流、强制对流、表面张力驱动力共同作用在熔体上,使熔体流动变得复杂。而在微重力环境制备晶体材料过程中,由于有效重力加速度降低了几个数量级,浮力极大地减小,难以发生浮力对流。此时,由表面张力梯度驱动的热毛细流(Marangoni流动)作用突显,直接影响制备晶体的质量。当温度梯度垂直于自由界面时,这种流动称为Marangoni对流;当温度梯度平行于自由界面时,称这种流动为热毛细对流。目前,已有的研究主要集中于水平温度梯度驱动的热毛细对流或垂直温度梯度诱导的Marangoni对流,而由两种温度梯度共同驱动的热对流过程往往存在于许多实际工程应用中。因此,本课题结合Cz法的工业实际应用背景,采用数值模拟方法对微重力条件下水平温度梯度和垂直温度梯度耦合作用下Cz浅液池内熔体Marangoni-热毛细对流进行研究,探讨了水平温度梯度和底部热流驱动流体运动的过程中各自发挥的作用,并获得了流动的基本形态和不稳定性的基本特征。研究结果表明:水平温差(Ma数)使自由表面温度分布由晶体侧向坩埚侧壁递增,驱动表面流体由坩埚侧壁流向晶体侧;底部热流(Q)使自由表面温度分布由Cz池中心区域向晶体和坩埚侧壁递减,驱动自由表面流体由中心处流向晶体和坩埚侧壁。这两种力的相对强度决定了熔体流动的形态。底部施加较小热流,增大Ma数的过程中,熔体内流动形态发生改变:当Ma?Macr1时,流动为二维稳态轴对称流动,Q起主导作用时,液池内中心区域形成最高温度,流动呈现双流胞形态;Ma数起主导作用时,坩埚侧壁形成最高温度,流动呈现单流胞形态。当Macr1?Ma?Macr2,流动为三维稳态,自由表面上温度沿坩埚侧壁向晶体递减,自由表面上温度波动呈静止轮辐型结构,增大Ma数和Q均增大温度波动,轮辐数目基本保持不变,而形态发生改变。当Ma?Macr2,流动将失稳。此外,水平温差恒定,施加底部热流Q?Qcr,流动由二维稳态或者三维稳态转变为三维非稳态,失稳后流动呈现出双层轮辐型、热流体波和花瓣型不稳定性。
【关键词】：双向温度梯度 Czochralski结构 Marangoni-热毛细对流
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 主要符号表8-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 引言9-11
• 1.211-17
• 1.2.1 Marangoni对流研究现状11-13
• 1.2.2 热毛细对流研究现状13-16
• 1.2.3 耦合Marangoni-热毛细对流研究现状16-17
• 1.3 研究目的及研究内容17-19
• 2 物理数学模型19-25
• 2.1 引言19
• 2.2 物理模型及相关假设19-20
• 2.3 数学模型的建立20-22
• 2.3.1 控制方程20
• 2.3.2 边界条件20-21
• 2.3.3 控制方程及边界条件的无量纲化21-22
• 2.4 计算方法22-25
• 2.4.1 数值求解22-23
• 2.4.2 模型验证23
• 2.4.3 网格选取23-24
• 2.4.4 计算条件24-25
• 3 数值模拟结果及分析25-57
• 3.1 引言25
• 3.2 水平温度梯度对熔体Marangni-热毛细对流的影响25-42
• 3.2.1 水平温度梯度对稳态Marangoni-热毛细对流的影响25-32
• 3.2.2 水平温度梯度对非稳态Marangoni-热毛细对流的影响32-41
• 3.2.3 小结41-42
• 3.3 底部热流对熔体Marangni-热毛细对流的影响42-57
• 3.3.1 底部热流对稳态Marangni-热毛细对流的影响42-50
• 3.3.2 底部热流对非稳态Marangni-热毛细对流的影响50-55
• 3.3.3 小结55-57
• 4 结论57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-64
• 附录64
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文64
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目64
• C. 作者在攻读硕士学位期间的获奖情况64

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本文编号：540333