热交换法蓝宝石晶体生长的数值模拟研究

发布时间：2017-07-08 00:09

  本文关键词：热交换法蓝宝石晶体生长的数值模拟研究

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【摘要】：蓝宝石单晶具有独特的晶格结构、优异的光学、热学、机械性能和化学稳定性,广泛用做GaN基蓝光LED的衬底材料以及红外和激光装置的窗口材料。人工蓝宝石晶体生长的主流趋势是大尺寸、高质量,其主要方法有泡生法(KY)和热交换法(HEM)。HEM通过分别改变热交换器氦气流量和加热功率来控制温度梯度,具有晶体生长位错密度低,容易生长大尺寸单晶等优点,已经成为高质量、大尺寸蓝宝石晶体生长的重要方法。由于蓝宝石晶体生长在2000℃以上的高温下进行,原位观测困难,数值模拟研究成为研究蓝宝石晶体生长规律的最重要的方法。本文针对HEM蓝宝石单晶炉进行数值模拟研究,采用CGSim软件建立全局模型,计算了蓝宝石晶体不同生长阶段的温场、流场和晶体内热应力等参数,并分析了晶体生长各阶段的特点和变化规律。模拟得到的晶体尺寸和功率分别与实验结果进行了对比,模拟结果与实验结果基本吻合,证明了模拟的准确性。在了解晶体不同生长阶段规律的基础上,本文还针对热交换器换热面积、内管高度以及炉膛上部保温层结构对晶体生长的影响进行了数值模拟研究。研究结果表明:在晶体不同生长阶段,坩埚壁面处、固/液界面前沿以及坩埚底部籽晶处均呈现等温线密集、温度梯度较大的现象。晶体生长初期,固/液界面呈半椭球形;中期阶段,晶体近似等径生长,固/液界面逐渐变得平坦,侧部晶体与坩埚壁不接触;长晶后期,晶体顶端生长速率增加,中心晶体开始冒出自由熔体液面。随着晶体尺寸增加,熔体对流由长晶初期的两个对流涡胞变为等径阶段的一个对流涡胞,最大对流速度均为10-3 m/s数量级。晶体中,等热应力线呈W型分布,最大热应力位于晶体底部籽晶处。当热交换器换热面积增加后,晶体结晶速率减小,长晶后期晶体固/液界面平坦。当降低热交换器内管高度后,晶体底部热应力显著降低;然而,当热交换器内管高度过低时,热交换器顶部出现小涡流,影响温场控制。增加炉膛上保温层,长晶后期晶体顶部结晶速率减小,固/液界面逐渐平坦,有利于顶部气泡杂质的排出。研究结果揭示了HEM蓝宝石晶体生长不同生长阶段的温场、流场和晶体内热应力的规律,以及HEM热交换器换热面积、内管高度以及炉膛上部保温层结构对晶体生长的影响。
【关键词】：蓝宝石晶体 热交换法 数值模拟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O78;TQ164
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 蓝宝石晶体的性质和应用10-13
• 1.1.1 蓝宝石晶体的基本性质10-11
• 1.1.2 蓝宝石晶体的应用11-13
• 1.2 蓝宝石晶体生长研究现状13-18
• 1.2.1 主要生长方法13-16
• 1.2.2 国内外研究现状16-18
• 1.3 HEM蓝宝石晶体生长研究现状18-19
• 1.4 本课题研究目的及方法19-20
• 第二章 HEM模型的建立20-36
• 2.1 HEM蓝宝石晶体生长简介20-23
• 2.1.1 HEM晶体生长原理20-22
• 2.1.2 HEM单晶炉氦气系统22-23
• 2.2 物理模型23-26
• 2.2.1 HEM单晶炉简化及网格划分23-25
• 2.2.2 HEM单晶炉加热器简化25-26
• 2.3 数学模型26-29
• 2.3.1 基本控制方程26-27
• 2.3.2 边界条件27-28
• 2.3.3 湍流模型28-29
• 2.3.4 固/液界面结晶速率29
• 2.4 数值模拟流程29-34
• 2.5 实验验证34-35
• 2.5.1 晶体尺寸对比34-35
• 2.5.2 功率对比35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 HEM蓝宝石不同生长阶段的模拟36-48
• 3.1 不同生长阶段炉膛内温场36-38
• 3.2 不同生长阶段温场和流场38-43
• 3.2.1 晶体生长初期温场和流场38-40
• 3.2.2 晶体生长中期温场和流场40-42
• 3.2.3 晶体生长后期温场和流场42-43
• 3.3 不同生长阶段晶体和熔体热流量43-44
• 3.4 不同生长阶段热应力44-47
• 3.4.1 不同生长阶段晶体内热应力44-46
• 3.4.2 不同生长阶段固/液界面热应力46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 热交换器和上保温层的数值模拟优化48-66
• 4.1 热交换器换热面积对晶体生长的影响48-58
• 4.1.1 换热面积对晶体生长初期的影响49-52
• 4.1.2 换热面积对晶体生长中期的影响52-55
• 4.1.3 换热面积对晶体生长后期的影响55-58
• 4.2 热交换器内管高度对晶体生长的影响58-64
• 4.2.1 内管高度对温场和流场的影响59-62
• 4.2.2 内管高度对热应力的影响62-63
• 4.2.3 内管高度对加热功率的影响63-64
• 4.3 上保温层结构对晶体生长的影响64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 总结与展望66-68
• 5.1 本文主要结论66-67
• 5.2 后续研究工作展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士期间发表学术论文73

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7 陈U，

本文编号：532331