论文摘要
浮区法（Floating zone）是一种无坩锅容器接触、生长高质量单晶的重要晶体生长技术。在空间微重力环境下,熔体静压力极度减小,浮区法可以突破小尺寸晶体生长的限制;同时,熔体浮力流亦极度减弱,可以避免不稳定浮力流对晶体质量的影响。微重力条件下,表面张力流成为熔体中的主要对流,研究浮区法晶体生长中的表面张力流及其控制对生长高质量晶体具有重要意义。本论文针对研究浮区法对流的典型模型――半浮区（Half-zone）液桥模型,采用有限体积法,对空间浮区法晶体生长中的表面张力流及其磁场对流控制进行了一系列的数值模拟研究。当表面张力流雷诺数（Reynolds number: Re）较小时,液桥的半导体熔体对流是定常、二维轴对称结构;随雷诺数的增大、超过某一临界值（第一次失稳的临界雷诺数Rec1）,对流变为三维、定常流动;随雷诺数进一步增大、超过临界值（第二次失稳的临界雷诺数Rec2）,熔体对流演化为三维、非定常振荡对流。对流结构的突变对晶体品质有不利影响,因此研究对流失稳的临界雷诺数很重要。本文首先研究了表面张力流第一次对流失稳的临界雷诺数与液桥体积的关系;对流第一次失稳后变为周向涡对数为m的三维对流,m值与液桥几何尺寸的关系本文也进行了讨论。晶体质量控制的关键之一是熔体对流的控制。由于洛伦兹力的作用,磁场可控制导电性流体的对流。尽管半导体在室温下接近于绝缘体,但半导体熔体却像金属一样具有良好导电性,外部静态磁场作用可以有效地抑制液桥表面张力流。本文数值研究表明:均匀轴向磁场作用下,对流趋向于轴对称,但受抑制的表面张力流在径向无法穿透液桥,对流主要集中于自由表面附近,而液桥中心区域对流相对很弱,该对流结构不利于晶体生长掺杂的径向均匀分布;在均匀横向磁场作用下,对流的轴对称性环境受到破坏,其不利于良好的生长界面的形成。在研究均匀磁场对流控制的基础上,本文进一步研究了线圈产生非均匀磁场的对流控制。在轴向单载流线圈产生磁场的作用下,对流趋向于轴对称,液桥平均速度和最大速度都随着载流线圈半径的增大而增大,并随着载流线圈从低温端往高温端移动亦逐步增大。数值结果显示:轴向二载流线圈产生的CUSP磁场可以有效抑制自由表面附近的对流,其平均速度和最大速度都随着线圈半径的增大而增大;对于理想的圆柱形液桥,通过CUSP磁场对称面较强的径向分量来抑制局部强烈的对流并不能达到整体最强的抑制效果。虽然横向二载流线圈磁场和横向四载流线圈磁场均会破坏对流的轴对称性环境,但较均匀横向磁场有所改善。横向二载流线圈磁场作用下,液桥对流的速度随着线圈半径的增大先减小、后增大;随着两线圈的距离的增大对流速度是增大的;液桥对流结构随着线圈的半径和两线圈的相对位置而不断变化,随着线圈半径的减小和线圈之间距离的增大,液桥对流趋向于相对合理的对流结构。对横向四载流线圈磁场的研究中,同样存在一个对对流的抑制作用最强的优化线圈半径,与横向二载流线圈磁场相比,其对流结构和温度分布有进一步改善。通过对比研究,轴向二载流线圈磁场对对流的抑制和对流结构的优化优于横向二载流线圈磁场和横向四载流线圈磁场。本文还研究了轴向单载流线圈、轴向二载流线圈和横向四载流线圈组合产生的非均匀磁场对对流的影响。利用单独各种圈磁场分布的优点组合线圈磁场可以更加有效地抑制对流、改善对流结构。本文最后研究了磁场对变形液桥的影响。轴向均匀磁场对凸液桥和凹液桥对流的影响的研究结果表明,轴向均匀磁场对凸液桥的抑制作用强于对凹液桥的抑制作用;对于轴向二载流线圈产生的非均匀磁场,研究对称面位于不同位置时的液桥对流,通过把磁场对称面布置于凹液桥局部对流比较强烈的区域时,磁场对对流的抑制作用并非最强;而对于凸液桥,则可以实现对局部强烈对流的抑制来达到整体的最优的抑制效果。