《液封提拉法晶体生长热毛细对流稳定性研究》莫东鸣|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《液封提拉法晶体生长热毛细对流稳定性研究》

【作　者】莫东鸣

【页 数】 127

【出版社】 重庆：重庆大学出版社 , 2022.09

【ISBN号】978-7-5689-3536-4

【价 格】68.00

【分 类】晶体生长-研究

【参考文献】 莫东鸣. 液封提拉法晶体生长热毛细对流稳定性研究. 重庆：重庆大学出版社, 2022.09.

图书封面：

图书目录：

《液封提拉法晶体生长热毛细对流稳定性研究》内容提要：

本书介绍了液封提拉法晶体技术的特点及研究现状、蓝宝石单晶生长技术的现代趋势和应用进展。

《液封提拉法晶体生长热毛细对流稳定性研究》内容试读

第1章绪论

1.1引言

近几十年来，随着空间技术、生物技术、材料制备技术、能源环境技术的发

展，人们对零重力或微重力环境下物质平衡及运动规律的研究日益增多，热流

体科学领域的科学家们对此领域的探索，形成了一个力学、物理学、材料科学和生物学的新兴交叉学科，即微重力科学。微重力科学主要是研究流体介质或与流体介质密切相关的相变等过程在微重力环境中的运动规律。微重力科学

主要包括微重力流体物理（自然对流、多相流、复杂流体）、微重力燃烧、空间材

料科学、空间生物技术和空间基础物理等领域。远离地球的太空环境，即距离

地球为地球半径的1000倍的空间就是一种微重力环境。除此之外，地球表面

的自由落体的系统里，或是利用水的浮力消除重力效应的“水池”的实验环境，也可以造成微重力环境。目前，还有两种不完整的地面模拟方法正在发展：一个是磁悬浮：另一个是生物回转器。但是，这两种方法都不能完整地模拟真实

的微重力环境。在实验前，必须仔细分析实验的目的和需求，考虑是否可采用磁悬浮和生物回转器来模拟微重力的环境2。借用微重力环境，人类可以进行地面工程实际过程难以进行的科学实验和工程应用，进行新材料和药物的生产、生命科学和生物技术的探索。

通过在微重力环境进行的研究和分析，人们发现，当地球重力产生的浮力、

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沉淀、压力梯度等过程基本消失时，那些曾经被重力作用所掩盖的物理现象及物理本质将更为充分地暴露出来，这就为微重力科学各学科领域的发展创造了

极好的机遇，孕育了学术的重大突破。其中，受到微重力影响后，流体将会改变其运动规律。当流体成分、边界条件变得复杂时，其在微重力下的运动规律就

成为人们研究的目标，如由界面张力梯度驱动的热毛细对流即是一个备受关注

的课题。特别是近半个世纪以来，先进的落塔设备、微重力飞机，以及微重力气球和探空火箭的应用，大大促进了这个领域的发展3)。例如，2016年4月15日，在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射升空的“实践十号”卫

星，是我国首颗微重力科学和空间生命科学实验卫星。在这颗专门进行微重力科学和空间生命科学空间实验的返回式科学实验卫星上，一共完成了19个科

学实验任务，涉及28项科学实验。又如，2016年9月发射至2019年7月19日

返回地球的“天宫二号”，共搭载14项应用载荷，共开展了60余项空间科学实验和技术试验。在“天宫二号”上，我国首次开展了空间微重力条件下的热毛细

对流实验，研究了在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，拓展了流

体力学的认知领域，取得了具有国际先进水平的研究成果，使我国突破并掌握

了微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术，进一

步提升了我国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。实验的主要成果

还包括，生长出了高质量的材料晶体，验证了新的材料制备工艺，获得了多项材

料科学实验新发现。在重要功能晶体等材料方面，空间制备的样品性能得到明

显提升或微观组织结构得到改进。

以上例子说明，随着空间实验条件的提升和科技的发展，高质量晶体材料

和复合材料的太空制备已成为现实，避免了空间重力的影响，可以克服单晶体

生长中的偏析现象、提高材料的均匀性、减小了晶体的生长条纹。然而，在重力

的影响被大大削弱的同时，表面张力的作用却又明显地显现出来。表面张力梯

度驱动的热毛细对流是影响晶体质量的重要因素。热毛细对流将改变界面前

沿的温度梯度和浓度梯度，从而影响着固/液界面的推移和杂质在熔体中的分

第1章绪论/003

布，还将导致晶体中化学组分的变化。今天的大规模晶体生长工业是在地面进

行，在恒重力环境中，熔体同时被加热，毛细力和浮力驱动熔体作复杂运动。如果熔体运动不稳定，晶体生长的均匀性就会受到破坏4

为了抑制自由界面表面张力梯度引起的热毛细对流，防止晶体生长过程中

可挥发性成分的挥发、改善结晶过程中的传热条件，20世纪末，在晶体生长领域

中，发展出了液封生长晶体技术。液封技术，是在熔体自由表面上覆盖一层与熔体不相混溶的、无化学反应的流体，通过自由表面和液-液界面的相互抑制，在一定的条件下可以减弱熔体主流区的热毛细对流。两层流体界面处的热耦合和力耦合的存在，使得双层流体系统内的热对流过程变得非常复杂)。20世

纪末至21世纪初，国内外学者主要对垂直温度梯度双液层系统的热毛细对流进行了研究66，但对更为复杂的水平温度梯度作用下的双层流体系统热毛细对流特征及稳定性的研究还较为缺乏72。并且，对水平温度梯度作用下的双液层系统，大多数研究主要集中于矩形腔，对环形双液层系统的研究相对较少。本书从液封提拉法生长晶体技术的特点及研究现状、蓝宝石单晶生长技术的现代趋势和应用进展出发，介绍了基于液封提拉法制备蓝宝石晶体、硅单晶的热

毛细对流的线性稳定性分析方法，研究了微重力条件下、常重力条件下，5cSt硅

油/HT-70、B,0,/蓝宝石熔体工质对在上部为自由表面的热毛细对流、上部为自

由表面的浮力-热毛细对流、上部为固壁的热毛细对流、上部为固壁的浮力-热毛细对流的流动特性、失稳临界条件、流动失稳后的耗散结构，探讨了环形双液层流动失稳机理。本书的结论可在理论上丰富和发展双层流体热对流及其稳定性理论，在实践上可为科研院所和企事业单位从事晶体生长及其制备工作的设计研发人员提供参考。

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1.2界面现象与热毛细对流

1.2.1界面现象

界面现象又称为表面现象，是指发生在气、液、固三相进行排列组合而成的

相界面上的各种物理及化学过程所引起的现象。在人们的日常生活和生产活

动中，随处可见界面现象的存在。例如，大自然中，早晚所见到的曙光和晚霞、

雨后的彩虹和光环等；日常生活中，人们所用的肥皂和洗衣粉的去污过程；工业

生产中的制盐和制糖，都是典型的界面现象。界面，是指物质相与相的分界面。

界面具有气-液、气-固、液-液、液-固和固-固5种不同的形式，当组成界面的两相

中有一相为气相时，常被称为表面。

表面张力，是由液体表面层分子引力不均衡而产生的，它沿表面作用于界面。表面张力的方向与界面相切，并与界面的任何两部分垂直。表面张力是指

液体增加单位表面积所需的功，又称为表面自由能。清晨凝聚在叶片上的水

滴、水龙头缓缓垂下的水滴，水黾能站在水面上，都是表面张力的作用。表面张

力的大小仅与液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力越小。

1.2.2热毛细对流

热毛细对流又称Marangoni对流，它是由界面上的表面张力梯度引起的一

种流动3)。当界面存在温度梯度时，便形成表面张力梯度，表面张力梯度超过

黏滞力，使液体流动，出现热毛细对流。此现象由Marangoni在1865年发现，故

称为Marangoni对流。热毛细对流是一种与重力无关的自然对流，在具有自由

表面的液体中，沿着液体表面存在表面张力梯度，就会发生Marangoni对流，不

需要克服什么激活势垒，很小的温度梯度就足以使之开始流动，即使在太空环

第1章绪论/005

境一微重力环境中也依然存在，不会因重力场的消失而消失。热毛细对流是由外加温度差引起的，是更为广泛的一类流动体系，是微重力科学中的一类典型。

如图1.1所示，当左、右两壁面分别维持恒定温度T和T时(T>T),在

两相界面处有

o=g(T),dT

(1.1)

其中，σ为表面张力，为温度T的函数，即靠近冷壁一端表面张力大，而靠近热

壁一端表面张力小，于是在主流液体区域中出现了热毛细对流

o=σ(T

热毛细力

热壁

液体

冷壁

图1.1热毛细对流

Fig.1.1 Thermocapillary convection

1.3晶体生长技术

晶体是由原子、离子、分子等微观物质单位按规则有序地在三维空间呈周

期性重复排列的固体。其内部组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的

几何多面体。晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够

表达晶格结构的最小单元，这个最小单元称为晶胞。由取向不同的晶粒组成的

物体称为多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如单晶硅、

单晶石英。大家最常见到的一般是多晶体。

晶体生长是用一定的方法和技术，使单晶体由液态或气态结晶成长。结晶

是与相变相联系的过程，它不仅包含多个物理变量，并且受到物理和力学过程

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的制约，构成复杂的研究体系。晶体生长过程可以有固体-固体、熔体-固体、气

相-固体、溶液-固体等不同相变过程多种形式。在这些过程中，流体的状态往往

看成晶体生长过程的外场。流体的状态将遵循连续介质力学的规律，即质量守

恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒等规律3)。

目前主要的晶体生长技术有溶液生长法、熔体生长法、气相生长法和外延生长法。熔体生长法是晶体生长技术里研究最早的生长方法之一，也是现代工

业生产和科学研究中广泛采用的方法。其原理就是利用熔体的熔点温度与熔

体温度之间的关系，即当结晶物质的温度高于熔点时，它就熔化为熔体，当熔体

的温度低于凝固点时，熔体就会转变为结晶固体。

熔体生长法中主要有直拉法、坩埚下降法、浮区法、焰熔法等。直拉法又称丘克拉斯(Czochralski)法，简称Cz法。Cz法生长方向和尺寸较易控制，且能利

用缩颈、放肩的方法抑制位错等优点，适合于大尺寸晶体的批量生产24)。提拉法晶体生长装置如图1.2所示，此方法在被高频感应或电阻加热的坩埚中盛装待熔融的晶料，再令带着籽晶的籽晶杆由上而下插入熔体，固-液界面附近的熔

体维持一定的过冷度，于是熔体便沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。半导体硅、锗、氧化物单晶如钇铝石榴石、钆镓石榴石、铌酸锂等均

用此方法生长而得。坩埚下降法又称布里奇曼晶体生长法(Bridgeman-

Stockbarge method,B-S法)，是一种常用的晶体生长方法。具体生长流程为：将晶体生长所需材料置于圆柱形的坩埚中，缓慢地下降，并通过一个具有一定温

度梯度的加热炉，将炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质及加

热器件可以选用电阻炉或高频炉。在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，

当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。这种方法常用于制备碱金属、碱土金属卤化物和氟化物单

晶。浮区法是通过环形加热器形成局部熔区，通过材料的再凝固而形成晶体。物质的固相和液相在密度差的驱动下，物质会发生输运。通过局部熔炼可以控制或重新分配存在于原料中的可溶性杂质，能有效地消除分凝效应，并在一定程度上控制和消除位错、包裹体等结构缺陷。

···试读结束···