光学浮区法晶体生长温度场数值模拟研究

发布时间：2017-09-01 08:33

  本文关键词：光学浮区法晶体生长温度场数值模拟研究

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【摘要】：本文以数值模拟和实际生长实验相结合,编写出了一套适用于光学浮区法生长晶体温度场的模拟程序。通过模拟计算,利用光学浮区法生长出了质量较好的TiO_2晶体和SBN(铌酸锶钡)晶体。首先,建立光学浮区法生长温度场的数学模型以及简化的二维轴对称熔区几何模型。之后测量光源、卤素灯、生长材料的物理参数,完成数学模型中边界条件的加载。最后通过模拟软件,编写出一套有限元温度场的模拟程序。对生长过程中的灯丝尺寸、生长功率百分比、熔区形状、预制棒半径、热导率等参数进行温度场模拟,并计算出不同参数下的横向纵向温度分布以及温度梯度,最后得出结论:主要影响TiO_2和SBN晶体生长的参数是灯功率,生长功率百分比和预制棒直径;两种晶体都适合使用1000W卤素灯生长,TiO_2生长的最佳功率百分比72%,SBN晶体生长的最佳功率百分比48%,SBN晶体预制棒直径为5mm时晶体质量最好,TiO_2晶体预制棒直径为8mm时晶体质量最好。进行光学浮区法生长TiO_2和SBN晶体的实验,利用模拟程序确定大致的工艺参数范围,使用不同的工艺参数进行生长,观察生长过程中熔区的稳定程度,根据数值模拟和实验,修改参数最后生长出外观较好,质地较均匀的晶体。测量生长出的晶体质量,与模拟结果对比,最终确定最佳工艺参数,对于TiO_2晶体最好的工艺参数是:1000 W卤素灯(灯丝厚度3mm)、预制棒直径8mm,生长功率百分比73%、旋转速度20 r/min;对于SBN晶体最好的工艺参数是:1000 W卤素灯(灯丝厚度3mm)、预制棒直径5mm,生长功率百分比48%、旋转速度20 r/min。通过实验与理论相结合,完善模拟程序使其能够较为精确的模拟光学浮区法中熔区的温度场分布,并且可以对更多的工艺参数进行模拟,在今后生长不同类型的晶体实验中能够提供帮助和指导作用。
【关键词】：光学浮区法 温度场 有限元数值模拟 TiO_2晶体 SBN晶体
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O782.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 晶体生长意义及方法简介8-9
• 1.2 光学浮区法基本原理9-10
• 1.3 光学浮区法晶体生长实验参数的研究现状10-14
• 1.3.1 预制棒特征10-11
• 1.3.2 晶体生长速度11-12
• 1.3.3 生长气氛和气压12
• 1.3.4 温度梯度和熔区温度12-13
• 1.3.5 转速13-14
• 1.4 晶体生长数值模拟技术研究现状14-17
• 1.4.1 晶体生长数值模拟方法14-15
• 1.4.2 晶体生长数值模拟的发展15-17
• 1.5 研究课题的提出17-18
• 1.6 本论文研究目的与主要内容18-19
• 第2章 数值模拟方法及实验设备19-27
• 2.1 ANSYS有限元软件热分析原理及服务器配置19-21
• 2.1.1 ANSYS有限元热分析19-21
• 2.1.2 ANSYS有限元数值模拟软件及服务器配置21
• 2.2 光学浮区法晶体生长及材料表征21-27
• 2.2.1 光学浮区炉主要参数21-22
• 2.2.2 光学浮区法生长晶体简介及预制棒制作工艺流程22-24
• 2.2.3 材料及光学特性表征设备24-27
• 第3章 光学浮区晶体生长温度场数值模拟研究27-47
• 3.1 有限元仿真模型的建立27-33
• 3.1.1 材料及熔区几何模型的建立27-28
• 3.1.2 光源模型的建立28-31
• 3.1.3 边界条件的加载31
• 3.1.4 仿真计算条件及温度场表征31-33
• 3.2 晶体生长参数对温度场的影响33-46
• 3.2.1 光源功率百分比对温度场的影响34-36
• 3.2.2 光源灯丝厚度对熔区的影响36-38
• 3.2.3 预制棒半径对温度场的影响38-40
• 3.2.4 熔区中心半径对温度场的影响40-42
• 3.2.5 熔区高度对温度场的影响42-44
• 3.2.6 生长材料的热导率对温度场的影响44-46
• 3.3 光学浮区法晶体生长参数的优化46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 光学浮区法生长晶体温度场的实验验证47-63
• 4.1 工艺参数对TiO_2晶体生长温度场的实验验证47-51
• 4.1.1 光源功率对熔区的影响47-49
• 4.1.2 光源灯丝几何尺寸对熔区的影响49-50
• 4.1.3 预制棒直径对熔化温度的影响50
• 4.1.4 熔区几何形貌对熔区稳定性的影响50-51
• 4.2 工艺参数对TiO_2晶体生长质量的影响51-52
• 4.3 TiO_2晶体最优生长参数的实验验证52-54
• 4.4 SBN生长参数优化及实验验证54-56
• 4.5 用于生成ANSYS命令的程序56-62
• 4.5.1 模拟参数的设定和命令的生成56-59
• 4.5.2 ANSYS命令的调用59-62
• 4.6 本章小结62-63
• 结论与展望63-65
• 参考文献65-71
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文及申请的专利71-72
• 致谢72

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