常重力条件下分离结晶法制备CdZnTe晶体的全局数值分析

摘要

Cz法与Bridgman法是晶体生长中普遍采用的两大技术。CdZnTe是一种三元化合物，它的热导率很低，机械强度较差，容易受到热应力的作用而产生缺陷，导致Cz法与Bridgman法对制备CdZnTe晶体存在不足，然而分离结晶法可以很好的弥补这一缺陷。为了更好地掌握晶体生长过程中系统内部流动与传热特性，本文采用有限元程序，对分离结晶法制备CdZnqle晶体过程进行全局数值模拟。分析了坩埚半径、狭缝宽度、熔体晶体导热系数比、温度梯度以及坩埚壁厚对晶体生长的影响。
　　 研究发现熔体流型与传热特性均受到这五个因素的影响：(1)随着坩埚半径增大，Marangoni对流迅速增强，对熔体流动的影响逐渐增大，使流胞中心向上移动，流胞形状变得狭长；高温段熔体温差很小，随着坩埚半径增大，系统内部换热增强。(2)狭缝宽度对分离结晶有决定性的作用，当狭缝宽度较小时，气液弯界面处熔体两端温差很小，导致增大晶体重新粘附于坩埚壁面的风险；随着狭缝宽度的增大，流动的不稳定性增加，很难保持稳定的气液弯界面形状，增加了实现晶体稳定生长的难度。(3)熔晶导热系数比，直接影响坩埚外壁的温度分布。在I不大于1.3时，可选择高、低温区温度为定值的简单温度场；在I大于1-3时，应选择坩埚外壁分三段不同温度梯度的复杂温度场。(4)绝热段温度梯度决定着晶体生长的速度与质量。温度梯度越小，熔体流动越弱，流胞中心离结晶界面位置越远，晶体生长速度越慢，但生长质量越好。(5)坩埚壁厚对熔体流动影响较大。在坩埚半径为9mm，坩埚壁厚δ为1.0mm时，熔体以浮力对流为主。随着δ的增大，熔体浮力对流减弱，在δ增大到3.0mm时，流胞被一分为二，Marangoni对流与浮力对流强度相当。