优质金刚石大单晶生长的数值模拟与实验研究

发布时间：2017-12-16 04:06

  本文关键词：优质金刚石大单晶生长的数值模拟与实验研究

  更多相关文章： 有限元方法 触媒对流场 多物理场耦合 高温高压技术 金刚石

【摘要】：本论文以有限元法(FEM)多物理场耦合技术为分析手段,建立了金刚石大单晶合成装置及腔体组装有限元模型。通过有限元通用分析软件ANSYS Multiphyscis及ANSYS Flotran,采用软件中多场耦合分析模块,完成了对金刚石合成组装块内各材料的温度场及组装材料中触媒内对流场的数值模拟与分析。解决了金刚石晶体形貌调控方式单一,塔状金刚石表面易出现凹坑缺陷,现有组装不适合塔状金刚石生长等难题。为优质金刚石大单晶的合成,晶体缺陷的消除,腔体优化设计等提供了解决方案。取得了如下创新性研究成果:1.探究了触媒对流场对金刚石晶体形貌的影响:通过调节触媒高度,FEM法进行仿真模拟,考查了不同触媒对流场分布特征对晶体形貌的影响。模拟结果表明,在相同低温合成条件下,薄触媒对流场特征适合于板状金刚石生长,厚触媒对流场特征适合于塔状金刚石生长。实验结果验证了模拟结果的正确性。拉曼分析表明对流场变化仅对晶体形貌产生影响,对晶体质量不会产生影响。依据仿真模拟结果和实验验证结果,我们确立了适合板状、塔状金刚石单晶生长的碳素对流场特征。2.解释了塔状晶体表面凹坑缺陷形成机制问题:在金刚石合成实验中发现,长时间生长大尺寸塔状晶体过程中,常伴随表面凹坑缺陷的产生,严重降低了晶体利用率。利用FEM法对晶体生长初期以及生长后期温度场、对流场进行了数值模拟分析。模拟结果表明,随着晶体的不断生长,触媒内轴向温差逐渐减小,晶体上表面对流强度变弱,导致没有足够碳素能够输运到晶体表面中心位置。同时,晶体上表面随晶体的长大而逐渐接近剩余碳源,轴向生长空间不足,因此容易产生表面凹坑缺陷。3.探究了触媒厚度对塔晶表面凹坑缺陷的影响:基于凹坑缺陷的形成机制,利用FEM法对晶体生长后期,不同触媒厚度组装块内的温度场与对流场进行了数值模拟分析。结果表明,厚触媒下有更多的碳素输运到晶体上表面。同时,金刚石晶体具有更大的轴向生长空间,因此能够消除表面凹坑缺陷。实验结果验证了模拟结果。得到了表面凹坑缺陷的一种解决方案。4.探究了触媒形状对塔晶表面凹坑缺陷的影响:基于塔状金刚石晶体生长的对流场特征及表面凹坑缺陷的产生机制,设计了新型“凸”状触媒,此设计能够使金刚石晶体拥有更大的轴向生长空间。同时期待更好的对流场分布以解决缺陷的产生。利用FEM法模拟了腔体内温度场与对流场,结果表明在晶体上表面碳素对流强度非常大,有足够多碳素输运到晶体上表面,能够有效消除表面凹坑缺陷的产生。实验结果验证了模拟结果,此组装设计更适合大尺寸塔状金刚石晶体的生长。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O78

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本文编号：1294604