磁场作用下分离结晶法制备碲锌镉晶体的热物理机制

分离结晶法在制备功能材料- - 碲锌镉晶体方面颇具优势。目前，此方法在微重力条件下取得了较大的成功，在地面环境下效果不佳。究其原因，地面环境下的浮力使分离结晶过程中熔体内部的流动变得更加复杂，如何削弱或者控制浮力对熔体内部流动的影响，是一个迫切需要解决的关键问题。已有研究证明了在常规的晶体生长方法中，磁场能够削弱熔体对流，提高晶体的质量。但是，关于磁场能否削弱分离结晶过程中的熔体对流，从而提高分离结晶法制备碲锌镉晶体的质量的有关研究尚未见报道。因此，本项目的研究目标就是建立磁场作用下分离结晶法制备碲锌镉晶体的数学物理模型，借助数值模拟手段，应用理论分析、稳定性分析和相关实验，揭示磁场影响分离结晶过程中熔体对流的热物理机制；探明磁场类型和磁场强度对于分离结晶过程的影响规律；确定磁场作用下实现分离结晶的热力学条件。研究成果必将为分离结晶生长技术的发展与应用奠定坚实的理论基础。

分离结晶法在制备功能材料——碲锌镉（CdZnTe）晶体方面颇具优势。目前，此方法在微重力条件下取得了较大的成功，但是在地面环境下效果不佳。究其原因，地面环境下的浮力使分离结晶过程中熔体内部的流动变得更加复杂，如何削弱或者控制浮力对熔体内部流动的影响，是一个迫切需要解决的关键问题。本项目通过建立磁场作用下分离结晶法制备碲锌镉晶体的数学物理模型，借助数值模拟手段，应用理论分析、稳定性分析和相关实验，揭示了磁场影响分离结晶过程中熔体对流的热物理机制，探明了磁场类型和磁场强度对分离结晶过程的影响规律。重要研究结果：（1）轴向磁场、勾形磁场、横向磁场都能有效地抑制分离结晶过程中熔体内部的热毛细-浮力对流，且随着磁场强度增加，抑制作用增强，其中轴向磁场的抑制效果最好。（2）施加磁场可以使熔体流动的临界Marangoni数增大，使熔体的流动更加稳定。同时，临界Marangoni数也随着分离结晶过程中狭缝宽度的减小而增大，熔体高度的增大而增大。（3）分离结晶过程中狭缝处气液界面两侧压差、结晶生长角和熔体-坩埚之间接触角是影响地面分离结晶过程中界面形状、狭缝宽度及其稳定性的主要因素。（4）采用静液滴法对镓熔体在表面粗糙度不同的铝基板和铜基板上的静态接触角进行了测量，结果表明影响熔体与金属基板间静态接触角的主要因素是基板的表面粗糙度和材料种类，且随着基板表面粗糙度的增加，熔体与基板的静态接触角增大。（5）研究结果为磁场作用下分离结晶生长技术的发展和应用奠定了坚实的理论基础。