Процессы кристаллизации и формообразования профилированных изделий из монокристаллов сапфира и разработка новых технологий их получения

• Автор: Бородин, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 269 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГРУППОВОГО ВЫРАЩИВАНИЯ САПФИРОВЫХ ПЛАСТИН

1.1. Выращивание профилированных кристаллов сапфира способом Степанова и его исследования

1.2. Исследование тепломассопереноса группового процесса роста сапфировых лент.

1.2.1. Математическая модель процесса, численное решение задач тепломассопереноса и алгоритм вычислений

1.2.1.1. Тспломассопсренос в расплаве и кристаллах

1.2.1.2 Теплообмен излучением между лептами пакета

1.2.1.3. Термоупругие напряжения в кристаллах.

1.2.1.4. Распределение примеси в расплаве менисков

1.2.1.5. Алгоритм вычислений

1.2.2. Результаты исследования

1.2.2.1. Поля температур и положения межфазных границ в лентах сапфира, выращиваемых одновременно
1.2.2.2. Температурные напряжения в лентах сапфира
1.2.2.3. Концентрация примеси в расплаве менисков лент
1.3. Практическое применение результатов исследований.
1.4. Выводы.
2. ГИДРОДИНАМИКА РАСПЛАВА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВЫРАЩИВАНИЯ.
2.1. Гидростатическая и гидродинамическая модель мениска расплава
2.2. Моделирование поля скоростей течения расплава и гидродинамического давления в расплаве
2.3. Экспериментальное исследование влияния скорости вытягивания и
теплового режима процесса кристаллизации на показания датчика веса
2.4. Выводы.
3. ВЫРАЩИВАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ САПФИРОВЫХ ПЛАСТИН.
3.1. Технологии выращивания крупногабаритных монокристаллов сапфира.
3.2. Исследование влияния тепловых условий, создаваемых с помощью активнот нагревателя и радиационных экранов, на поля температур и термических напряжений в крупногабаритной пластине
3.2.1. Математическая модель процесса выращивания крупногабаритной пластины и численное решение задач тепломассопереноса.
3.2.2. Результаты исследования
3.3. Экспериментальные процессы выращивания крупногабаритных сапфировых пластин
3.4. Выводы.
4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
4.1. Технологии получения сапфировых изделий сложной формы.
4.2. Исследование температурных полей в кристалле сапфира при его выращивании методом динамического формообразования.
4.2.1. Математическая модель процесса и решение задач тепломассопереноса.
4.2.2. Результаты исследования температурных полей в кристалле
сапфира, выращиваемого методом динамического формообразования.
4.3. Исследование устойчивости мениска расплава и структуры кристаллов в зависимости от условий его формирования
и параметров кристаллизации.
4.3.1. Методы исследования устойчивости мениска и структуры кристаллов.
4.3.2. Конструкция формообразователей и методики выращивания кристаллов с изменяемой формой боковой поверхности с их применением
4.3.3. Результаты исследования
4.2.3.1. Устойчивость мениска расплава и структура кристаллов для процесса кристаллизации методом локального динамического формообразования.
4.2.3.2. Устойчивость мениска расплава и структура кристаллов для процесса кристаллизации методом динамического формообразования из свободного мениска.
4.3. Выводы.
5. МИКРОВКЛЮЧЕНИЯ И ГАЗОВЫЕ ПОРЫ В ПРОФИЛИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ САПФИРА И ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕ ТРОВ ТЕХНОЛОГИИ НА ИХ ОБРАЗОВАНИЕ.
5.1. Характерные дефекты структуры профилированных кристаллов сапфира
5.2. Исследование микроструктуры и элементного состава микровключений в кристаллах профилированного сапфира.
5.3. Исследование структурного и химического состава молибденовых тиглей, применяемых в тепловых узлах.
5.3.1. Рекомендации по увеличению стойкости молибденовых тиглей .
5.4. Исследование влияние технологических параметров процесса кристаллизации на газовые включения с помощью экспертнопрограммного комплекса.
5.4.1. Структура, функции ЭПК, его программная реализация и корреляционный алгоритм определения совокупности оптимальных параметров процесса
5.4.2. Анализ технологии с помощью ЭПК и оптимизация технологии выращивания профилированных кристаллов сапфира
5.4. Выводы.
6. ДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И РАЗРАБОТ КА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССАМИ ВЫРАЩИВАНИЯ
6.1. Выращивание монокристаллов способами Чохральского и Степанова с помощью систем автоматического управления.
6.2. Исследование динамических характеристик систем кристаллрасплав для способов Чохральского, Степанова,
динамического формообразования
6.2.1. Методика эксперимента
6.2.2. Результаты исследования динамических характеристик.
6.2.3. Выводы.
6.3. Разработка алгоритмов автоматического управления процессами кристаллизации
6.3.1. Управление процессом выращивания кристаллов способом Чохральского
6.3.2. Управление процессом выращивания кристаллов способом Степанова.
6.3.3. Управление процессом выращивания кристаллов способом динамического формообразования
6.4. Программная реализация системы автоматического управления процессами кристаллизации.
6.5. Выводы.
7. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА
7.4. Выводы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
Список литературы


По мере увеличения быстродействия вычислительных машин возросла сложность и размерность математических моделей. Стало возможным определение формы межфазной границы в системе расплавкристалл. Сотрудниками Физикотехнического института им. А.Ф. Иоффе был проведен большой цикл работ по расчетам тепловых полей и термонапряжений в профилированных кристаллах , в том числе с учетом их анизотропии. С середины х годов широкое распространение получили вариационные методы решения дифференциальных уравнений, что отразилось на численных моделях роста кристаллов. Метод конечных элементов Галеркина МКЭ, позволяющий осуществить численное моделирование для расчетных областей сложных геометрических форм, стал основным методом численного моделирования. Большой вклад в разработку алгоритмов, программного кода для численного решения задач тепломассопереноса процесса кристаллизации с помощью МКЭ был сделан в Массачусетском Технологическом Институте и Университете Миннесоты. Допустимый диапазон изменения управляющих параметров, форма фронта кристаллизации, распределение примеси в расплаве и кристалле, выращиваемого из расплава способом Степанова, были рассчитаны с помощью МКЭ в . В работах , был проведен анализ влияния скорости вытягивания кристалла и тем пера гуры формообразователя на толщину пластины, распределение температуры вблизи межфазной границы. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Этапы развития МКЭ для моделирования процессов кристаллизации из расплава четко прослеживаются для работ, посвященных основному объекту исследования методу Чохральского. В работе математическая модель процесса была дополнена уравнениями НавьеСтокса, описывающими течение расплава. В работе был рассмотрен эффект радиационного теплообмена между диффузносерыми поверхностями кристалла, расплава и тигля, что значительно приблизило моделируемые условия теплообмена к реальным. Модель приобрела необходимую степень завершенности, что позволило, наконец, говорить о практичности результатов расчета. Далее основное внимание было уделено развитию вспомогательных методов решения и реализующих их алгоритмов для задач радиационного теплообмена в осесимметричных полостях , между набором поверхностей произвольной взаимной ориентации . Численное моделирование роста кристаллов для двумерных расчетных областей, в том числе методом конечных элементов, было освоено в середине х годов в Физикотехническом институте имени Л. Ф. Иоффе РАН . Для полупрозрачных кристаллов, к которым исследователи относили и профилированный сапфир, была разработана математическая модель и численные методы решения задач переноса тепла излучением внутри кристалла , . Моделирование процессов теплообмена с учетом тепловыделения на нагревателе при радиационном переносе тепла по трубчатым кристаллам в световодном приближении проведено в . В осуществлен расчет термоупругих напряжений в лентах сапфира различной ориентации. Моделирование влияния радиационного переноса тепла на форму фронта кристаллизации для ленты сапфира проведено в работе . Остаточные напряжения в сапфировой ленте, вычисленные для экспериментально измеренных значений смещения оптических осей, представлены в . Численное моделирование МКЭ процесса роста профилированных кристаллов также успешно развивается в Институте физики твердого тела РАН . Показательной является работа , в которой рассматривалась двухмерная задача с условием Стефана на фронте кристаллизации и ламинарным движением расплава в канале формообразователя и мениске. Распределение температуры в твердой и жидкой фазах, форма и положение фронта кристаллизации, поле скоростей течения расплава рассчитывались из совместного решения дифференциального уравнения теплопроводности, уравнений НавьеСгокса и капиллярного уравнения Лапласа. В работе в рамках двухмерного приближения предложена модель переноса примеси в мениске при выращивании пластины способом Степанова. Из совместного решения стационарного уравнения диффузии с конвективными членами и стационарного уравнения НавьеСтокса, описывающего течение жидкости, получено распределение примеси вблизи фронта кристаллизации.