KDP晶體生長動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨(dú)立學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間定量描述流場的數(shù)值解，從而達(dá)到對物理問題研究的目的。它兼有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)，建立了許多理論和方法，為現(xiàn)代科學(xué)中許多復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問題提供了有效的計(jì)算技術(shù)。
　　晶體材料在國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)中占有重要的地位，晶體生長技術(shù)的改進(jìn)和突破，意味

2、著給電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和激光技術(shù)等領(lǐng)域帶來新的進(jìn)步和飛躍。由于大部分晶體材料是由熔體或溶液生成的，因此晶體生長技術(shù)與流體力學(xué)有著密切的關(guān)系。在晶體生長過程中伴隨的傳質(zhì)、傳熱及復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象直接影響所生成的晶體的質(zhì)量。目前國內(nèi)生長大尺寸KDP晶體的方法有傳統(tǒng)降溫法和快速生長法。傳統(tǒng)法生長的晶體光學(xué)質(zhì)量好，但是生長周期較長，風(fēng)險(xiǎn)大，成本高，所以在保證光學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上如何提高晶體的生長速度成為迫切需要解決的問題之一;快速生長法采用“點(diǎn)籽晶”

3、技術(shù)在高溫高過飽和度下實(shí)現(xiàn)全方位的晶體生長，使晶體的生長速度增大10-15倍，但是晶體的光學(xué)質(zhì)量明顯低于傳統(tǒng)法生長的晶體，如何選擇一個(gè)合適的生長速度保證晶體的順利生長，提高晶體的光學(xué)質(zhì)量成為首要解決的問題之一。
　　KDP晶體在生長過程中，影響其生長的因素很多，比如溫度均勻性，晶體表面的溶液流動(dòng)狀態(tài)、過飽和度分布、邊界層厚度以及溶液穩(wěn)定性等，通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很難測得晶體附近的溫度分布、溶液的流動(dòng)狀態(tài)、過飽和度分布以及邊界層厚度等

4、。而利用數(shù)值模擬可以很好的解決這個(gè)問題。所以本論文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了動(dòng)力學(xué)因素對傳統(tǒng)法和快速生長KDP晶體生長動(dòng)力學(xué)和溶液的穩(wěn)定性的研究。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.用傳統(tǒng)降溫法在不同轉(zhuǎn)速下生長了KDP晶體，主要觀察了轉(zhuǎn)速的改變所帶來的晶體成帽情況的改變，同時(shí)也利用Fluent軟件對晶體生長過程中的溫度場和速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究轉(zhuǎn)速對晶體成帽的影響。晶體轉(zhuǎn)速較低為9和15轉(zhuǎn)/min，溫度分布比較均勻，

5、所以晶體只出現(xiàn)一個(gè)帽區(qū)，但溫度較高，成帽較慢;晶體轉(zhuǎn)速較高為55和77轉(zhuǎn)/min時(shí)，溫度分布也比較均勻，相應(yīng)的晶體也只有一個(gè)帽區(qū)，此時(shí)溫度較低，成帽較快;晶體轉(zhuǎn)速介于兩者之間時(shí)，溫度分布出現(xiàn)擾動(dòng)，晶體出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)帽區(qū)，溫度介于兩者之間，成帽速度也介于兩者之間。隨著晶體轉(zhuǎn)速的加快，晶體表面晶體與溶液的相對速度增大，生長邊界層厚度減小，晶體成帽速度加快。所模擬的晶體轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，較高轉(zhuǎn)速77轉(zhuǎn)/min是晶體帽區(qū)恢復(fù)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。通過數(shù)值計(jì)算不

6、同籽晶位置時(shí)晶體表面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)籽晶位置距離溶液底部1、2和3cm時(shí)溫度分布都比較均勻，有利于晶體成帽有一個(gè)帽區(qū);而籽晶位置距離溶液上部1、2和3cm時(shí)，溫度分布出現(xiàn)擾動(dòng)，晶體成帽容易出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)帽區(qū)。當(dāng)籽晶位置距溶液底部2cm時(shí)溫度比1和3cm時(shí)稍低，此時(shí)過冷度稍大，晶體生長稍快，所以籽晶的最佳位置為距離溶液底部2cm處。
　　2.用傳統(tǒng)降溫法在不同轉(zhuǎn)速下生長了KDP晶體，考察轉(zhuǎn)速對晶體生長的影響。運(yùn)用流體力學(xué)軟件對晶體生

7、長過程中的溫度場和速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，晶體轉(zhuǎn)速較低時(shí)(9和15轉(zhuǎn)/min)時(shí)，溫度分布比較均勻，但溫度較高，晶體生長稍慢，與降溫程序不匹配造成過飽和度積累，晶體生長過程中出現(xiàn)較多雜晶;當(dāng)晶體轉(zhuǎn)速增大至(22-40轉(zhuǎn)/min)，溫度較低，晶體生長較快，但是強(qiáng)迫對流還不能足以消除自然對流帶來的溫度擾動(dòng)，仍有雜晶出現(xiàn);當(dāng)晶體轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)(55和77轉(zhuǎn)/min)，攪拌消除了自然對流帶來的溫度不均勻性，同時(shí)轉(zhuǎn)速的增

8、大帶來的晶體生長加快與降溫程序匹配較好，雜晶偶爾出現(xiàn)。隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大，晶體表面的溶液流速愈來愈大，往晶體表面輸運(yùn)的物質(zhì)越多，晶體生長越來越快。所以較高轉(zhuǎn)速(55和77r/min)較于較低轉(zhuǎn)速(9.0-40r/min)更有利于晶體生長。保持晶體轉(zhuǎn)速77轉(zhuǎn)/min不變時(shí):晶體尺寸由3變化到5cm時(shí)，徑向線上的溫度分布比較均勻，即晶體尺寸的改變對水平方向上的溫度分布幾乎沒有影響;但是軸向線上的溫差由晶體3cm時(shí)的0.179K逐步增大到5c

9、m時(shí)的0.204K。改變晶體尺寸由3到4.5cm時(shí)，槽內(nèi)溫差隨晶體尺寸的增大逐步減小;而晶體尺寸由4.5到5cm時(shí)槽內(nèi)溫差有小幅增大，即隨著晶體尺寸的增加，晶體轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)調(diào)低。
　　3.用“點(diǎn)籽晶”快速生長技術(shù)生長了不同轉(zhuǎn)速下的KDP晶體，同時(shí)對晶體生長過程中的速度場分布和流動(dòng)狀態(tài)的改變進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果表明，晶體轉(zhuǎn)速在9到100轉(zhuǎn)/min范圍，晶體生長速度隨轉(zhuǎn)速提高而加快，無雜晶出現(xiàn);轉(zhuǎn)速在100到120轉(zhuǎn)/

10、min時(shí)，溶液的流動(dòng)狀態(tài)由層流到湍流的過渡，造成溶液的不穩(wěn)定性，進(jìn)而有雜晶出現(xiàn);轉(zhuǎn)速在200到300轉(zhuǎn)/min時(shí)，溶液流速太快，由更多的層流轉(zhuǎn)變成湍流，溶液穩(wěn)定性更差，溶液中容易出現(xiàn)雜晶進(jìn)而發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象，無法繼續(xù)晶體的生長。所以初始階段適于晶體生長的最大轉(zhuǎn)速是100轉(zhuǎn)/min。保持晶體轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/min不變，考察晶體尺寸的改變對晶體生長的影響。隨著晶體尺寸的增加，雷諾數(shù)增大，過渡段湍流成分較高，溶液穩(wěn)定性較差，雜晶出現(xiàn)幾率增大，晶

11、體轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)調(diào)低。同時(shí)對兩種籽晶架結(jié)構(gòu)所帶來的速度場的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，相同攪拌速度下，兩根柱子的籽晶架帶來的溶液流動(dòng)速度相比四根柱子時(shí)稍大，往晶體表面輸運(yùn)的物質(zhì)較多，這種情況下邊界層厚度較薄，越有利于晶體的快速生長。
　　4.用“點(diǎn)籽晶”快速生長技術(shù)在不同轉(zhuǎn)速下生長了一系列KDP晶體，研究了動(dòng)力學(xué)參數(shù)對晶體生長速度和晶體生長的影響。同時(shí)采取數(shù)值模擬計(jì)算的手段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所用實(shí)驗(yàn)裝置建立幾何模型，對KDP晶體生長過程中的對過

12、飽和度和邊界層厚度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。晶體轉(zhuǎn)速在9-100轉(zhuǎn)/min范圍時(shí)，晶體表面的過飽和度隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大而增大，生長速度也隨著相應(yīng)的增大，生長過程中無雜晶出現(xiàn);晶體轉(zhuǎn)速較低時(shí)(9和15轉(zhuǎn)/min)，自然對流占優(yōu)勢，由于重力的作用，晶體底部溶質(zhì)濃度高，上部溶質(zhì)濃度低，晶體晶面出現(xiàn)溶質(zhì)供應(yīng)不均勻，晶體生長過程中容易出現(xiàn)包藏。隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大，強(qiáng)迫對流增強(qiáng)，能夠消除自然對流帶來的晶面溶質(zhì)供應(yīng)不均勻，晶體能夠透明生長;晶體轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至(

13、120-300轉(zhuǎn)/min)時(shí)，過飽和度的梯度增大，生長溶液穩(wěn)定性的下降，溶液中易出現(xiàn)雜晶或者“雪崩”。晶體轉(zhuǎn)速由9變化到300轉(zhuǎn)/min時(shí)，隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大生長邊界層的厚度δ減小。體過飽和度的改變對晶體表面中心處的邊界層厚度影響不大，邊界層厚度只與攪拌速度密切相關(guān)的。
　　5.實(shí)驗(yàn)研究了不同轉(zhuǎn)速和有無籽晶對KDP快速生長溶液的穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌速度由9至300轉(zhuǎn)/min時(shí)，自發(fā)結(jié)晶的溫度逐漸升高，表明亞穩(wěn)區(qū)的寬度變

14、窄、溶液穩(wěn)定性變差;轉(zhuǎn)速達(dá)到200-300轉(zhuǎn)/min時(shí)，溶液穩(wěn)定性極差，溶液極易出現(xiàn)雜晶進(jìn)而發(fā)生“雪崩”。此外，溶液中加入籽晶后，亞穩(wěn)區(qū)的寬度與未加入籽晶時(shí)基本一致，這表明引入籽晶對溶液中自發(fā)結(jié)晶的溫度沒有明顯的影響，即溶液中出現(xiàn)的雜晶并不是由于加入籽晶可能導(dǎo)致的二次成核引起的而是由于引入籽晶操作程序影響了溶液穩(wěn)定性所致。同時(shí)對不同轉(zhuǎn)速下的溶液流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。發(fā)現(xiàn):
　　(1)攪拌速度較低時(shí)(9和15轉(zhuǎn)/min)溶液流

15、動(dòng)為層流，溶液穩(wěn)定性較好;
　　(2)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至(22-106轉(zhuǎn)/min)，溶液流動(dòng)為層流到湍流的過度，隨著轉(zhuǎn)速的增大，溶液穩(wěn)定性越來越差;轉(zhuǎn)速增至(120和300轉(zhuǎn)/min)時(shí)，溶液流動(dòng)為完全湍流，溶液穩(wěn)定性顯著降低，溶液中極易出現(xiàn)雜晶進(jìn)而“雪崩”。溶液穩(wěn)定性變差的機(jī)理可能與轉(zhuǎn)速升高引起的湍流動(dòng)能耗散率和渦量的大小有關(guān)，即溶液流體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能更多地轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)能，為溶液跨過成核勢壘提供了更多的可能;
　　(3)要保持溶液