多力场耦合驱动下Czochralski结构液池内双组分流体流动稳定性及耗散结构研究

Flow stability plays a critical role in the quality of semiconductors grown from binary compounds using the Czochralski method. This project studies the flow stability and dissipative structures of a binary fluid mixture driven by coupled multi-forces in the Czochralski configuration by means of numerical simulation and experimental observation. First, the characteristics of the basic flow are examined; stabilities driven by the coupling of buoyant, thermal and solutal capillary, centrifugal and Coriolis forces are investigated; the critical conditions for flow transition are determined and stability diagrams are mapped. When the unstable flow occurs, various dissipative structures are explored and the non-equilibrium thermodynamic behaviors are examined. Then the relative contributions of the driving forces on flow instabilities are analyzed and their interactions are discussed. Finally, the mechanisms of the flow instabilities are investigated and the optimal matching parameters for suppressing flow instabilities are proposed. This project could lead to the discovery of new dissipative structures and underlying mechanisms. Therefore, this project has high scientific and academic importance in advancing non-equilibrium thermodynamics and dissipative structure theory, as well as practical value in improving the Czochralski crystal growth technique commonly used in the semiconductor industry.

本项目以Czochralski法双组元化合物晶体生长过程中的热物理问题为背景，采用数值模拟和实验观测相结合的方法研究多力场耦合驱动下Czochralski结构液池内双组分流体流动稳定性及耗散结构特征。具体内容包括：认知双组分流体基本流动和传输特征，分析浮力、热和溶质毛细力、旋转离心力和Coriolis力耦合驱动下的流动稳定性，确定流动失稳的临界条件，获取流动稳定性分区图；探索流动失稳后可能形成的各种耗散结构及其非平衡热动力学特征，明确耗散结构演变规律；分析各驱动力对流动不稳定性贡献权重，探讨各驱动力间的耦合机理，揭示流动失稳的物理机制，提出能有效抑制流动不稳定性的最佳参数匹配关系。本项目不仅有望发现新的非平衡热动力学不稳定现象和耗散结构，在多力场耦合驱动流动失稳的物理机制上取得创新性的成果，从而进一步丰富和发展非平衡热动力学及耗散结构理论，而且可为完善晶体生长工艺提供重要的理论依据。

项目以Czochralski法双组元化合物晶体生长过程中的热物理问题为背景，采用数值模拟和实验观测相结合的方法研究多力场耦合驱动下Czochralski结构液池内双组分流体流动稳定性及耗散结构特征，揭示各驱动力之间的耦合机理及流动失稳物理本质。主要结论如下：（1）当各驱动力都较弱时，流动为二维稳态轴对称流动，不同方向流胞相互剪切、相互竞争。当热毛细雷诺数或旋转速度超过某一临界值时，流动转变为三维非稳态流动，确定了流动转变的临界条件，绘制了流动稳定性区域图谱。流动转变的临界热毛细雷诺数随液池深宽比、双组分溶液初始浓度的增大而减小，随晶体和坩埚旋转速度的增加先增大、后减小。（2）Soret效应促进流动失稳，相同条件下，双组分溶液流动转变临界值总低于纯工质流体。浅液池内，晶体或坩埚旋转均加强了流场扰动，促使流动失稳，随着深宽比的增加，坩埚旋转在一定程度上对流动不稳定性有着抑制的效果，深宽比越大，抑制效果越好。（3）明确了不同力场驱动下复杂流动状态演变规律，绘制了流动演变图谱，捕获了静止同心环、同心环-流体波共存、花苞状、花瓣状、径向条纹、溶质流体波、猫耳状、靶状和铜钱状等新型耗散结构及其转变规律，讨论了耗散结构波数、传播速度随特征参数变化规律。（4）分析了不同驱动力耦合条件下流动失稳机制，揭示了各驱动力间的耦合机理。当旋转驱动对流占主导地位时，流动失稳特征和晶体-坩埚旋转方向及相对大小相关，失稳机理为椭圆不稳定性、剪切不稳定性以及离心力不稳定性；热和溶质毛细力驱动流动失稳机制类似，主要为流体波不稳定性；浮力效应增强后，流动失稳主要机制为Rayleigh-Bénard不稳定性；当各驱动力所占权重相当时，流动失稳机制主要为斜压不稳定性。项目研究结果可进一步丰富和发展非平衡热动力学及耗散结构理论，为完善晶体生长工艺提供理论依据。