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

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。