浮区法晶体生长中非均匀旋转磁场对流控制研究

The rapid development of modern sophisticated technology requests crystalline material to be higher purity and larger size. Float-zone technique of crystal growth, which can avoid container pollution because of no crucible contamination and grow larger single crystals, is getting more and more concern in microgravity environment. In crystal growth, convection control of melt plays a key role in the crystal quality. Targeting to the optimal conditions for high-quality semiconductor crystal growth, the convection control by the applied various Rotating Magnetic Rield (RMF) is focused on in the research proposal, and the RMF includes the non-uniform rotating magnetic field with two-pole pairs and three-pole pairs, and the combinational RMF between them. After setting up the three-dimensional model of magnetohydrodynamics, the convection control in float-zone crystal growth is investigated by means of the computational fluid dynamics, the effects of the RMF’s strength and rotational frequency on the melt convection and the distribution of the temperature are investigated, and the stability of the melt convection will be analyzed by using the spectral element method. The research in this project is an important basis to grow high-quality crystal by the float-zone technique under microgravity.

现代高精尖科技的迅猛发展对晶体材料提出了纯度更高、尺寸更大等苛刻要求。微重力环境下浮区法晶体生长技术因其无坩埚污染且可生长更大尺寸单晶而备受关注。在晶体生长中，熔体的对流控制是晶体质量控制的关键之一。本项目拟研究不同构形的外加非均匀旋转磁场（二极对、三极对非均匀旋转磁场和组合磁场）对微重力下浮区熔体对流的控制机理，建立三维磁流体动力学模型，采用计算流体动力学手段研究，明确主要影响因素，定性分析各影响因素如旋转磁场强度、旋转频率等参数对浮区熔体对流的动力学特性及温度分布的影响，并采用谱元法对熔体对流的稳定性进行分析，探索生长高质量晶体的优化方案。本项目拟为空间微重力技术条件下采用浮区法制备高质量大尺寸单晶材料奠定理论基础。

微重力环境下浮区法晶体生长技术因其无坩埚污染且可生长更大尺寸单晶，可为现代高科技的快速发展提供支撑。在晶体生长中，熔体的对流控制是晶体质量控制的关键之一。本项目研究不同构形的外加旋转磁场对微重力下浮区熔体对流的控制机理，建立三维磁流体动力学模型，采用计算流体动力学手段研究，定性分析各影响因素如旋转磁场强度、旋转频率等参数对浮区熔体对流的动力学特性及温度分布的影响，并采用谱元法对旋转磁场下熔体对流的稳定性进行分析，探索生长高质量晶体的优化方案。研究结果表明：（1）微重力外加二极对非均匀旋转磁场的周向搅拌作用下，液桥的最大周向速度得到显著提高，而最大轴向速度得到有效地抑制，三维液桥表面张力对流得到有效控制并转变为二维轴对称定常流动。（2）随着Ma数的增加，非均匀旋转磁场作用下的液桥表面张力对流将会产生失稳由定常轴对称流动直接转变为三维周期性振荡流动。（3）当Ma较小时，外加二极对非均匀旋转磁场作用下，随着磁场强度的增加，液桥熔体对流将会产生3次失稳，即首先由周向波数为2（k=2）的周期性振荡对流转变为二维轴对称定常流动，进而转变为周向波数为1（k=1）的周期性振荡对流，最后又转变为二维轴对称定常流。（4）外加非均匀与均匀旋转磁场均对液桥熔体产生周向的搅拌作用和轴向对流的抑制作用。定量分析得到，与相同强度的均匀旋转磁场相比，二极对非均匀旋转磁场作用下液桥熔体的最大轴向速度得到有效地抑制，其具有更有效地对流控制作用。本项目研究结果可为空间微重力条件下采用浮区法制备高质量大尺寸单晶材料提供理论知识储备