蓝宝石晶体生长过程的数值模拟和包裹体缺陷研究

摘要

蓝宝石晶体材料以其优异的机械性能、化学稳定性和光学性能等特性，被广泛的运用在国防科技和民用领域，近年来在 LED衬底领域蓝宝石占领了主要的市场，如何生长大尺寸高质量的蓝宝石材料是当前一项重要的研究课题。提拉法是目前生长蓝宝石晶体材料最重要的方法之一，其中固液界面的形状是影响晶体质量的关键因素。
　　本文主要研究了提拉法蓝宝石晶体生长过程中多种生长参数，包括感应加热器相对坩埚的位置，晶体旋转和坩埚旋转对固液界面形状的影响，并对熔体内包裹体杂质运动轨迹进行了研究。通过多物理场耦合数值仿真软件COMSOL Multiphysics和计算流体动力学软件Fluent对提拉法蓝宝石生长过程进行了二维和三维的数值模拟，计算了不同生长参数条件下的固液界面形状和包裹体杂质轨迹分布。对于生长参数的综合作用，本文创新采用正交设计方法对各参数影响大小进行评估，并得到最优的生长参数组合；对于包裹体杂质运动轨迹，本文对实际情况进行了简化建模，得到了不同晶体旋转速度下包裹体杂质轨迹分布情况。研究结果表明，蓝宝石晶体生长过程中，固液界面凸度随着感应加热线圈位置下移而增大、随晶体旋转速度增大而减小、随坩埚转速增大而略有增大。而且正交设计分析表明晶体旋转是最主要的影响因素，其次是坩埚旋转，最后是感应加热器的位置。包裹体杂质轨迹主要受熔体流动驱使，熔体内自然对流和强迫对流的相对作用对于其分布影响较大，提高晶体旋转速度能够一定程度避免包裹体杂质在晶体中心轴线附近聚集。本文的综合研究对于实际生产中高质量晶体的生长具有一定的参考和指导意义。

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1. 引言

1.1 蓝宝石晶体介绍

1.2 提拉法简介

1.3 晶体包裹体缺陷介绍

1.4 蓝宝石晶体生长研究现状

1.5 本文研究内容及意义

2. 提拉法模拟的数学物理模型

2.1 提拉法的传热和流动特性

2.2 晶体生长的物理模型

2.3 晶体生长物理模型的数学描述

2.4 正交试验设计简介

2.5 数值计算方法

3. 全局模拟结果

3.1 二维模拟结果

3.2 三维模拟结果

3.3 本章小结

4. 生长参数对固液界面形状的影响

4.1 感应加热线圈位置对固液界面形状的影响

4.2 晶体旋转对固液界面形状的影响

4.3 坩埚旋转对固液界面形状的影响

4.4 生长参数影响的综合评估

4.5 本章小结

5. 提拉法过程中包裹体杂质分布

5.1 铱金属杂质在熔体内的运动轨迹

5.2 熔体流动对铱金属杂质分布的影响

5.3 本章小结

6. 论文总结与展望

6.1 论文总结于创新点

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录