本文關(guān)鍵詞：優(yōu)質(zhì)金剛石大單晶生長的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：本論文以有限元法(FEM)多物理場(chǎng)耦合技術(shù)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(chǎng)耦合分析模塊,完成了對(duì)金剛石合成組裝塊內(nèi)各材料的溫度場(chǎng)及組裝材料中觸媒內(nèi)對(duì)流場(chǎng)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(shè)計(jì)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(duì)流場(chǎng)對(duì)金剛石晶體形貌的影響:通過調(diào)節(jié)觸媒高度,FEM法進(jìn)行仿真模擬,考查了不同觸媒對(duì)流場(chǎng)分布特征對(duì)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(duì)流場(chǎng)特征適合于板狀金剛石生長,厚觸媒對(duì)流場(chǎng)特征適合于塔狀金剛石生長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。拉曼分析表明對(duì)流場(chǎng)變化僅對(duì)晶體形貌產(chǎn)生影響,對(duì)晶體質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生影響。依據(jù)仿真模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)流場(chǎng)特征。2.解釋了塔狀晶體表面凹坑缺陷形成機(jī)制問題:在金剛石合成實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),長時(shí)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(yán)重降低了晶體利用率。利用FEM法對(duì)晶體生長初期以及生長后期溫度場(chǎng)、對(duì)流場(chǎng)進(jìn)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(duì)流強(qiáng)度變?nèi)?導(dǎo)致沒有足夠碳素能夠輸運(yùn)到晶體表面中心位置。同時(shí),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(duì)塔晶表面凹坑缺陷的影響:基于凹坑缺陷的形成機(jī)制,利用FEM法對(duì)晶體生長后期,不同觸媒厚度組裝塊內(nèi)的溫度場(chǎng)與對(duì)流場(chǎng)進(jìn)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(yùn)到晶體上表面。同時(shí),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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(duì)塔晶表面凹坑缺陷的影響:基于塔狀金剛石晶體生長的對(duì)流場(chǎng)特征及表面凹坑缺陷的產(chǎn)生機(jī)制,設(shè)計(jì)了新型“凸”狀觸媒,此設(shè)計(jì)能夠使金剛石晶體擁有更大的軸向生長空間。同時(shí)期待更好的對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)與對(duì)流場(chǎng),結(jié)果表明在晶體上表面碳素對(duì)流強(qiáng)度非常大,有足夠多碳素輸運(yùn)到晶體上表面,能夠有效消除表面凹坑缺陷的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果,此組裝設(shè)計(jì)更適合大尺寸塔狀金剛石晶體的生長。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O78

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本文編號(hào)：1294604