本文關(guān)鍵詞：雙向溫度梯度耦合作用下Cz法晶體生長中溶體Marangoni-熱毛細(xì)對流的研究

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【摘要】：Czochralski(Cz)法是人工晶體生長方法中最重要的一種熔體生長方法,廣泛應(yīng)用于工業(yè)上單晶硅的生產(chǎn)。熔體的流動對晶體生長系統(tǒng)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)起著十分重要的作用,在實際的晶體生長過程中,熱對流、強制對流、表面張力驅(qū)動力共同作用在熔體上,使熔體流動變得復(fù)雜。而在微重力環(huán)境制備晶體材料過程中,由于有效重力加速度降低了幾個數(shù)量級,浮力極大地減小,難以發(fā)生浮力對流。此時,由表面張力梯度驅(qū)動的熱毛細(xì)流(Marangoni流動)作用突顯,直接影響制備晶體的質(zhì)量。當(dāng)溫度梯度垂直于自由界面時,這種流動稱為Marangoni對流;當(dāng)溫度梯度平行于自由界面時,稱這種流動為熱毛細(xì)對流。目前,已有的研究主要集中于水平溫度梯度驅(qū)動的熱毛細(xì)對流或垂直溫度梯度誘導(dǎo)的Marangoni對流,而由兩種溫度梯度共同驅(qū)動的熱對流過程往往存在于許多實際工程應(yīng)用中。因此,本課題結(jié)合Cz法的工業(yè)實際應(yīng)用背景,采用數(shù)值模擬方法對微重力條件下水平溫度梯度和垂直溫度梯度耦合作用下Cz淺液池內(nèi)熔體Marangoni-熱毛細(xì)對流進(jìn)行研究,探討了水平溫度梯度和底部熱流驅(qū)動流體運動的過程中各自發(fā)揮的作用,并獲得了流動的基本形態(tài)和不穩(wěn)定性的基本特征。研究結(jié)果表明:水平溫差(Ma數(shù))使自由表面溫度分布由晶體側(cè)向坩堝側(cè)壁遞增,驅(qū)動表面流體由坩堝側(cè)壁流向晶體側(cè);底部熱流(Q)使自由表面溫度分布由Cz池中心區(qū)域向晶體和坩堝側(cè)壁遞減,驅(qū)動自由表面流體由中心處流向晶體和坩堝側(cè)壁。這兩種力的相對強度決定了熔體流動的形態(tài)。底部施加較小熱流,增大Ma數(shù)的過程中,熔體內(nèi)流動形態(tài)發(fā)生改變:當(dāng)Ma?Macr1時,流動為二維穩(wěn)態(tài)軸對稱流動,Q起主導(dǎo)作用時,液池內(nèi)中心區(qū)域形成最高溫度,流動呈現(xiàn)雙流胞形態(tài);Ma數(shù)起主導(dǎo)作用時,坩堝側(cè)壁形成最高溫度,流動呈現(xiàn)單流胞形態(tài)。當(dāng)Macr1?Ma?Macr2,流動為三維穩(wěn)態(tài),自由表面上溫度沿坩堝側(cè)壁向晶體遞減,自由表面上溫度波動呈靜止輪輻型結(jié)構(gòu),增大Ma數(shù)和Q均增大溫度波動,輪輻數(shù)目基本保持不變,而形態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)Ma?Macr2,流動將失穩(wěn)。此外,水平溫差恒定,施加底部熱流Q?Qcr,流動由二維穩(wěn)態(tài)或者三維穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S非穩(wěn)態(tài),失穩(wěn)后流動呈現(xiàn)出雙層輪輻型、熱流體波和花瓣型不穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：雙向溫度梯度 Czochralski結(jié)構(gòu) Marangoni-熱毛細(xì)對流
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 主要符號表8-9
• 1 緒論9-19
• 1.1 引言9-11
• 1.211-17
• 1.2.1 Marangoni對流研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 熱毛細(xì)對流研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.3 耦合Marangoni-熱毛細(xì)對流研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 研究目的及研究內(nèi)容17-19
• 2 物理數(shù)學(xué)模型19-25
• 2.1 引言19
• 2.2 物理模型及相關(guān)假設(shè)19-20
• 2.3 數(shù)學(xué)模型的建立20-22
• 2.3.1 控制方程20
• 2.3.2 邊界條件20-21
• 2.3.3 控制方程及邊界條件的無量綱化21-22
• 2.4 計算方法22-25
• 2.4.1 數(shù)值求解22-23
• 2.4.2 模型驗證23
• 2.4.3 網(wǎng)格選取23-24
• 2.4.4 計算條件24-25
• 3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析25-57
• 3.1 引言25
• 3.2 水平溫度梯度對熔體Marangni-熱毛細(xì)對流的影響25-42
• 3.2.1 水平溫度梯度對穩(wěn)態(tài)Marangoni-熱毛細(xì)對流的影響25-32
• 3.2.2 水平溫度梯度對非穩(wěn)態(tài)Marangoni-熱毛細(xì)對流的影響32-41
• 3.2.3 小結(jié)41-42
• 3.3 底部熱流對熔體Marangni-熱毛細(xì)對流的影響42-57
• 3.3.1 底部熱流對穩(wěn)態(tài)Marangni-熱毛細(xì)對流的影響42-50
• 3.3.2 底部熱流對非穩(wěn)態(tài)Marangni-熱毛細(xì)對流的影響50-55
• 3.3.3 小結(jié)55-57
• 4 結(jié)論57-58
• 致謝58-59
• 參考文獻(xiàn)59-64
• 附錄64
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文64
• B. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項目64
• C. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間的獲獎情況64

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本文編號：540333