微重力下浮区法晶体生长动力学特征及磁场主动控制研究

Floating-zone crystal growth is an important technology of growing bulk single crystals due to its no crucible contamination. In order to suppress the effect of the buoyancy convection under gravity and the flow instability on evolution of growth interface and defect formation, the combination of external magnetic field and microgravity condition is considered to be the most prospective methods, which may improve the quality of crystal. However, the dynamics behaviors of convection in melt and effect on the characteristics of crystal growth had not been integratively described under microgravity and magnetic field. Theroefore, by developing an effective 3D MHD-CFD code for this crystal growth dynamics of Floating zone method under microgravity and nonuniform magnetic fields, the proposal will investigate the occurance and mechanism of flow instablitiy, understand its principle of development or annihilation and 3D spatial-temporal patterns of its evolution and their control method by applied extera magnetic fields by comparing the results with that of experiment. The interaction between these flow dynamical behaviors with crystal growth, celluar morphology,the evolution of interface pattern, macro segregation and defect appear and migratation will be obtained, and the effect of gravity on the process of crystal growth and segration will be revealed, which can provide a theory guidance and technology support for floating zone crystal growth.

浮区晶体生长法具有无污染生长的优点而成为生长单晶材料的重要技术。为了降低在重力环境下浮力对流及其不稳定性对晶体生长界面形态演化和缺陷形成的影响，提高浮区法生长单晶材料的品质,外加磁场主动控制技术和微重力环境相结合将可能是一条很有发展前景的新途径。然而，微重力和磁场环境下熔体内流动的动力学过程及其对晶体生长动力学特征还没有被清楚地描述。本申请将发展针对微重力和三维非均匀磁场条件下浮区法晶体生长的动力学模型,数值模拟并与实验相比较，研究浮区法晶体生长中流动不稳定性的产生条件和机理，了解其放大和湮灭的规律及演化的三维时空图像特征和外加磁场对其不稳定性的控制机理，获得这些流动动力学特征及外部磁场参数与晶体生长的稳定性、生长界面形态的演化、枝晶生长形貌和杂质分凝效应、缺陷的形成及迁移等之间的关联规律的认识，揭示重力对晶体生长过程和成分偏析的影响，为浮区法晶体材料生长提理论和技术支持。

浮区法具有无污染生长的优点而成为一种生长高质量、高纯度单晶材料的重要生长技术。微重力下，热毛细对流及其不稳定性会引起晶体微观瑕疵和宏观条纹缺陷的形成，这给浮区法晶体生长带来极大挑战。因此，研究浮区法晶体生长中热毛细对流特性及磁场对其不稳定性的主动控制显得尤为重要。.（1）当高径比Ar=1时，液桥内热毛细对流发生不稳定性振荡的临界Marangoni数（Ma）为421.21；当Ma=1.22×10^3时，液桥内热毛细对流出现τ=0.58s的三维稳定周期性振荡，流场和温度场结构随之发生周期性变化，对流涡出现分离—合并—再分离—再合并的周期性变化，涡的位置也出现周期性变化；随着Ma数的增加，周向波和径向波的波数增加，波瓣增大，强度升高；自由界面呈现出冷、热两端凸出而在中间收缩的“瓶颈”状分布，自由界面的变形呈正弦波动的周期性变化，且其周期与热毛细对流振荡周期一致。随着Ma数及Ar的增加，最大变形率ξ分别呈二次曲线和抛物线形式增加。随Ar的增加，热毛细对流强度及不稳定性减弱，瞬时温度波动的振幅增加而频率减小。.（2）磁场对流动不稳定性及自由界面变形的抑制具有方向性。横向磁场对θ=0°截面上热毛细对流的抑制作用较强，对θ=90°截面上的相对较弱；轴向磁场和勾型磁场对整个液桥内热毛细对流具有较强的抑制，均使得对流涡集中在自由界面处。勾型磁场抑制θ=0°和θ=90°截面上自由界面变形的临界Hartmann数（Ha）均为98.36；轴向磁场抑制θ=0°和θ=90°截面上流动不稳定性及自由界面变形的临界Ha数分别为214.11和208.12；横向磁场的抑制作用最弱，θ=0°和θ=90°截面上自由界面变形的临界Ha数分别为230.12和240.12。.（3）微重力下液桥自由界面不变形时Ma从3.58×10^3增加到5.37×10^3时，在r=0.5cm环表面的中心形成两行交错的垂直条纹波，波数从10增加到12。在液桥的θ=0°平面上，低浓度的氧在中心处显示出“哑铃形”；在液桥的z/L=0.5平面上，氧浓度呈现出不均匀的“星形”分布，且浓度和径向偏析效应随着Ma增加而增加。实验研究了有无磁场作用下，熔融液池自由表面上温度波动和位移波动，实验结果和模拟结果相一致。