本文關鍵詞：優(yōu)質(zhì)金剛石大單晶生長的數(shù)值模擬與實驗研究

  更多相關文章： 有限元方法 觸媒對流場 多物理場耦合 高溫高壓技術 金剛石

【摘要】：本論文以有限元法(FEM)多物理場耦合技術為分析手段,建立了金剛石大單晶合成裝置及腔體組裝有限元模型。通過有限元通用分析軟件ANSYS Multiphyscis及ANSYS Flotran,采用軟件中多場耦合分析模塊,完成了對金剛石合成組裝塊內(nèi)各材料的溫度場及組裝材料中觸媒內(nèi)對流場的數(shù)值模擬與分析。解決了金剛石晶體形貌調(diào)控方式單一,塔狀金剛石表面易出現(xiàn)凹坑缺陷,現(xiàn)有組裝不適合塔狀金剛石生長等難題。為優(yōu)質(zhì)金剛石大單晶的合成,晶體缺陷的消除,腔體優(yōu)化設計等提供了解決方案。取得了如下創(chuàng)新性研究成果:1.探究了觸媒對流場對金剛石晶體形貌的影響:通過調(diào)節(jié)觸媒高度,FEM法進行仿真模擬,考查了不同觸媒對流場分布特征對晶體形貌的影響。模擬結(jié)果表明,在相同低溫合成條件下,薄觸媒對流場特征適合于板狀金剛石生長,厚觸媒對流場特征適合于塔狀金剛石生長。實驗結(jié)果驗證了模擬結(jié)果的正確性。拉曼分析表明對流場變化僅對晶體形貌產(chǎn)生影響,對晶體質(zhì)量不會產(chǎn)生影響。依據(jù)仿真模擬結(jié)果和實驗驗證結(jié)果,我們確立了適合板狀、塔狀金剛石單晶生長的碳素對流場特征。2.解釋了塔狀晶體表面凹坑缺陷形成機制問題:在金剛石合成實驗中發(fā)現(xiàn),長時間生長大尺寸塔狀晶體過程中,常伴隨表面凹坑缺陷的產(chǎn)生,嚴重降低了晶體利用率。利用FEM法對晶體生長初期以及生長后期溫度場、對流場進行了數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果表明,隨著晶體的不斷生長,觸媒內(nèi)軸向溫差逐漸減小,晶體上表面對流強度變?nèi)?導致沒有足夠碳素能夠輸運到晶體表面中心位置。同時,晶體上表面隨晶體的長大而逐漸接近剩余碳源,軸向生長空間不足,因此容易產(chǎn)生表面凹坑缺陷。3.探究了觸媒厚度對塔晶表面凹坑缺陷的影響:基于凹坑缺陷的形成機制,利用FEM法對晶體生長后期,不同觸媒厚度組裝塊內(nèi)的溫度場與對流場進行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明,厚觸媒下有更多的碳素輸運到晶體上表面。同時,金剛石晶體具有更大的軸向生長空間,因此能夠消除表面凹坑缺陷。實驗結(jié)果驗證了模擬結(jié)果。得到了表面凹坑缺陷的一種解決方案。4.探究了觸媒形狀對塔晶表面凹坑缺陷的影響:基于塔狀金剛石晶體生長的對流場特征及表面凹坑缺陷的產(chǎn)生機制,設計了新型“凸”狀觸媒,此設計能夠使金剛石晶體擁有更大的軸向生長空間。同時期待更好的對流場分布以解決缺陷的產(chǎn)生。利用FEM法模擬了腔體內(nèi)溫度場與對流場,結(jié)果表明在晶體上表面碳素對流強度非常大,有足夠多碳素輸運到晶體上表面,能夠有效消除表面凹坑缺陷的產(chǎn)生。實驗結(jié)果驗證了模擬結(jié)果,此組裝設計更適合大尺寸塔狀金剛石晶體的生長。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O78

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