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坩埚和晶体旋转对泡生法生长大尺寸蓝宝石晶体中溶质分布的影响

DOI：10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.11.042 期刊：International Journal of Heat and Mass Transfer 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:21:21
摘要： 本研究通过数值模拟方法，探究了直拉法生长过程中熔体内部的流动、温度及溶质浓度场分布。结果表明：熔体中溶质浓度的大小与分布受对流运动和热场分布的显著影响。最大溶质浓度始终出现在熔体最高温区——坩埚侧壁处，而晶体-熔体界面处的溶质浓度从三相点向中心线递增。坩埚旋转增强了侧向坩埚壁向晶体-熔体界面的传热效应，同时降低了坩埚壁最高温度，从而减小了熔体内部溶质浓度水平。随着坩埚转速提升，晶体-熔体界面沿线的溶质浓度分布趋于更小且更均匀。但当坩埚转速超过临界值后，最大溶质浓度及界面沿线浓度开始回升。 晶体旋转同样影响熔体内部传热。其产生的离心力会在晶体-熔体界面下方形成涡旋结构，该涡旋随晶体转速增加而增大增强。在低转速区间，微小涡旋会抑制界面溶质浓度；因此尽管高转速导致熔体最高温度上升（使最大溶质浓度增加），界面沿线溶质浓度仍呈下降趋势。而在高转速区间，涡旋运动增强了坩埚底壁向界面的传热，降低了晶体-熔体界面的凸度，促使更多溶质杂质向界面输运，导致界面溶质浓度随转速增加而升高。但当转速继续增大至界面转为向熔体凹陷时，由于最高温度显著降低，界面沿线溶质浓度反而下降。 本研究对比了同向旋转与反向旋转工况。综合分析表明：当坩埚固定以1 rpm转速旋转且晶体不旋转时，晶体-熔体界面可获得最低且最均匀的溶质浓度分布。即仅采用坩埚旋转即可实现最优溶质控制效果。
作者： Tran Phu Nguyen，Jyh-Chen Chen
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究直拉法生长过程中，采用不同坩埚与晶体转速所产生的流场对熔体中溶质浓度的影响。

研究成果

研究表明，当晶体不旋转且坩埚转速固定为1转/分钟时，沿晶体-熔体界面可实现最低且最均匀的溶质分布。坩埚旋转增强了从坩埚侧壁向晶体-熔体界面的热传输，从而降低熔体内的溶质浓度。晶体旋转通过在晶体-熔体界面下方产生涡流来影响溶质浓度，该涡流根据旋转速率的不同可能抑制或增强溶质向界面的传输。

研究不足

该研究因生长速率极慢而假设为准稳态阶段，忽略粘性耗散和自由表面变形，并忽略熔融氧化铝的热分解及石墨效应。假设表面张力随温度升高呈线性下降。

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