本文關(guān)鍵詞：熱交換法藍(lán)寶石晶體生長的數(shù)值模擬研究

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【摘要】：藍(lán)寶石單晶具有獨特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性,廣泛用做GaN基藍(lán)光LED的襯底材料以及紅外和激光裝置的窗口材料。人工藍(lán)寶石晶體生長的主流趨勢是大尺寸、高質(zhì)量,其主要方法有泡生法(KY)和熱交換法(HEM)。HEM通過分別改變熱交換器氦氣流量和加熱功率來控制溫度梯度,具有晶體生長位錯密度低,容易生長大尺寸單晶等優(yōu)點,已經(jīng)成為高質(zhì)量、大尺寸藍(lán)寶石晶體生長的重要方法。由于藍(lán)寶石晶體生長在2000℃以上的高溫下進(jìn)行,原位觀測困難,數(shù)值模擬研究成為研究藍(lán)寶石晶體生長規(guī)律的最重要的方法。本文針對HEM藍(lán)寶石單晶爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究,采用CGSim軟件建立全局模型,計算了藍(lán)寶石晶體不同生長階段的溫場、流場和晶體內(nèi)熱應(yīng)力等參數(shù),并分析了晶體生長各階段的特點和變化規(guī)律。模擬得到的晶體尺寸和功率分別與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合,證明了模擬的準(zhǔn)確性。在了解晶體不同生長階段規(guī)律的基礎(chǔ)上,本文還針對熱交換器換熱面積、內(nèi)管高度以及爐膛上部保溫層結(jié)構(gòu)對晶體生長的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明:在晶體不同生長階段,坩堝壁面處、固/液界面前沿以及坩堝底部籽晶處均呈現(xiàn)等溫線密集、溫度梯度較大的現(xiàn)象。晶體生長初期,固/液界面呈半橢球形;中期階段,晶體近似等徑生長,固/液界面逐漸變得平坦,側(cè)部晶體與坩堝壁不接觸;長晶后期,晶體頂端生長速率增加,中心晶體開始冒出自由熔體液面。隨著晶體尺寸增加,熔體對流由長晶初期的兩個對流渦胞變?yōu)榈葟诫A段的一個對流渦胞,最大對流速度均為10-3 m/s數(shù)量級。晶體中,等熱應(yīng)力線呈W型分布,最大熱應(yīng)力位于晶體底部籽晶處。當(dāng)熱交換器換熱面積增加后,晶體結(jié)晶速率減小,長晶后期晶體固/液界面平坦。當(dāng)降低熱交換器內(nèi)管高度后,晶體底部熱應(yīng)力顯著降低;然而,當(dāng)熱交換器內(nèi)管高度過低時,熱交換器頂部出現(xiàn)小渦流,影響溫場控制。增加爐膛上保溫層,長晶后期晶體頂部結(jié)晶速率減小,固/液界面逐漸平坦,有利于頂部氣泡雜質(zhì)的排出。研究結(jié)果揭示了HEM藍(lán)寶石晶體生長不同生長階段的溫場、流場和晶體內(nèi)熱應(yīng)力的規(guī)律,以及HEM熱交換器換熱面積、內(nèi)管高度以及爐膛上部保溫層結(jié)構(gòu)對晶體生長的影響。
【關(guān)鍵詞】：藍(lán)寶石晶體 熱交換法 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O78;TQ164
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 藍(lán)寶石晶體的性質(zhì)和應(yīng)用10-13
• 1.1.1 藍(lán)寶石晶體的基本性質(zhì)10-11
• 1.1.2 藍(lán)寶石晶體的應(yīng)用11-13
• 1.2 藍(lán)寶石晶體生長研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 主要生長方法13-16
• 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 HEM藍(lán)寶石晶體生長研究現(xiàn)狀18-19
• 1.4 本課題研究目的及方法19-20
• 第二章 HEM模型的建立20-36
• 2.1 HEM藍(lán)寶石晶體生長簡介20-23
• 2.1.1 HEM晶體生長原理20-22
• 2.1.2 HEM單晶爐氦氣系統(tǒng)22-23
• 2.2 物理模型23-26
• 2.2.1 HEM單晶爐簡化及網(wǎng)格劃分23-25
• 2.2.2 HEM單晶爐加熱器簡化25-26
• 2.3 數(shù)學(xué)模型26-29
• 2.3.1 基本控制方程26-27
• 2.3.2 邊界條件27-28
• 2.3.3 湍流模型28-29
• 2.3.4 固/液界面結(jié)晶速率29
• 2.4 數(shù)值模擬流程29-34
• 2.5 實驗驗證34-35
• 2.5.1 晶體尺寸對比34-35
• 2.5.2 功率對比35
• 2.6 本章小結(jié)35-36
• 第三章 HEM藍(lán)寶石不同生長階段的模擬36-48
• 3.1 不同生長階段爐膛內(nèi)溫場36-38
• 3.2 不同生長階段溫場和流場38-43
• 3.2.1 晶體生長初期溫場和流場38-40
• 3.2.2 晶體生長中期溫場和流場40-42
• 3.2.3 晶體生長后期溫場和流場42-43
• 3.3 不同生長階段晶體和熔體熱流量43-44
• 3.4 不同生長階段熱應(yīng)力44-47
• 3.4.1 不同生長階段晶體內(nèi)熱應(yīng)力44-46
• 3.4.2 不同生長階段固/液界面熱應(yīng)力46-47
• 3.5 本章小結(jié)47-48
• 第四章 熱交換器和上保溫層的數(shù)值模擬優(yōu)化48-66
• 4.1 熱交換器換熱面積對晶體生長的影響48-58
• 4.1.1 換熱面積對晶體生長初期的影響49-52
• 4.1.2 換熱面積對晶體生長中期的影響52-55
• 4.1.3 換熱面積對晶體生長后期的影響55-58
• 4.2 熱交換器內(nèi)管高度對晶體生長的影響58-64
• 4.2.1 內(nèi)管高度對溫場和流場的影響59-62
• 4.2.2 內(nèi)管高度對熱應(yīng)力的影響62-63
• 4.2.3 內(nèi)管高度對加熱功率的影響63-64
• 4.3 上保溫層結(jié)構(gòu)對晶體生長的影響64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-66
• 第五章 總結(jié)與展望66-68
• 5.1 本文主要結(jié)論66-67
• 5.2 后續(xù)研究工作展望67-68
• 致謝68-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 攻讀碩士期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文73

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7 陳U，

本文編號：532331