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

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【摘要】：Czochralski(Cz)法是人工晶體生長(zhǎng)方法中最重要的一種熔體生長(zhǎng)方法,廣泛應(yīng)用于工業(yè)上單晶硅的生產(chǎn)。熔體的流動(dòng)對(duì)晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)起著十分重要的作用,在實(shí)際的晶體生長(zhǎng)過程中,熱對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流、表面張力驅(qū)動(dòng)力共同作用在熔體上,使熔體流動(dòng)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(gè)數(shù)量級(jí),浮力極大地減小,難以發(fā)生浮力對(duì)流。此時(shí),由表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的熱毛細(xì)流(Marangoni流動(dòng))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(shí),這種流動(dòng)稱為Marangoni對(duì)流;當(dāng)溫度梯度平行于自由界面時(shí),稱這種流動(dòng)為熱毛細(xì)對(duì)流。目前,已有的研究主要集中于水平溫度梯度驅(qū)動(dòng)的熱毛細(xì)對(duì)流或垂直溫度梯度誘導(dǎo)的Marangoni對(duì)流,而由兩種溫度梯度共同驅(qū)動(dòng)的熱對(duì)流過程往往存在于許多實(shí)際工程應(yīng)用中。因此,本課題結(jié)合Cz法的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用背景,采用數(shù)值模擬方法對(duì)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(duì)流進(jìn)行研究,探討了水平溫度梯度和底部熱流驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的過程中各自發(fā)揮的作用,并獲得了流動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)強(qiáng)度決定了熔體流動(dòng)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(dòng)形態(tài)發(fā)生改變:當(dāng)Ma?Macr1時(shí),流動(dòng)為二維穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱流動(dòng),Q起主導(dǎo)作用時(shí),液池內(nèi)中心區(qū)域形成最高溫度,流動(dòng)呈現(xiàn)雙流胞形態(tài);Ma數(shù)起主導(dǎo)作用時(shí),坩堝側(cè)壁形成最高溫度,流動(dòng)呈現(xiàn)單流胞形態(tài)。當(dāng)Macr1?Ma?Macr2,流動(dòng)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(dòng)呈靜止輪輻型結(jié)構(gòu),增大Ma數(shù)和Q均增大溫度波動(dòng),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(dòng)將失穩(wěn)。此外,水平溫差恒定,施加底部熱流Q?Qcr,流動(dòng)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(dòng)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(duì)流
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 主要符號(hào)表8-9
• 1 緒論9-19
• 1.1 引言9-11
• 1.211-17
• 1.2.1 Marangoni對(duì)流研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 熱毛細(xì)對(duì)流研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.3 耦合Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 研究目的及研究?jī)?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(jì)算方法22-25
• 2.4.1 數(shù)值求解22-23
• 2.4.2 模型驗(yàn)證23
• 2.4.3 網(wǎng)格選取23-24
• 2.4.4 計(jì)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(duì)熔體Marangni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響25-42
• 3.2.1 水平溫度梯度對(duì)穩(wěn)態(tài)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響25-32
• 3.2.2 水平溫度梯度對(duì)非穩(wěn)態(tài)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響32-41
• 3.2.3 小結(jié)41-42
• 3.3 底部熱流對(duì)熔體Marangni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響42-57
• 3.3.1 底部熱流對(duì)穩(wěn)態(tài)Marangni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響42-50
• 3.3.2 底部熱流對(duì)非穩(wěn)態(tài)Marangni-熱毛細(xì)對(duì)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(xiàng)目64
• C. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間的獲獎(jiǎng)情況64

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本文編號(hào)：540333