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格勒诺布尔工业技术研究所利用FEMAG软件改进布里奇曼晶体生长工艺
原文作者:CnTech 发布时间: 2015-02-26 09:55:57 新闻来源: CnTech
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    布里奇曼晶体生长法,一种常用的晶体生长方法,用于生长晶体的材料装在圆柱型的坩埚中,缓慢地下降,并通过一个具有一定温度梯度的加热炉,炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质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和碱土金属卤化物和氟化物单晶。

    典型垂直布里奇曼法晶体生长设备包括执行单元和控制单元。其中执行单元的结构,由炉体、机械传动系统和支撑结构3个部分构成。炉体部分采用管式炉,通过多温区的结构设计实现一维的温度分布,获得晶体生长的温度场。生长晶体的坩埚通过一个支撑杆放置在炉膛内的一维温度场中。机械传动部分包括电机和减速机构。减速机构将电机的转动转换为平移运动,控制坩埚与温度场的相对运动。可以采取控制炉体的上升或坩埚的下降两种方式实现晶体生长速率的控制。通常布里奇曼生长设备还包括坩埚旋转机构,通过另外一个电机驱动坩埚支撑杆转动,控制坩埚在炉膛内按照设定的方式和速率转动,进行温度场和对流控制。支撑结构提供一个稳定的平台,用于固定炉体和机械传动系统,实现其相对定位。在支撑结构中设计位置调节结构和减震结构,保证晶体生长速率的稳定性。控制单元包括温度控制和机械传动控制。温度控制主要进行不同加热段加热功率的调节,形成恒定的温度场。通常通过热电偶等测温元件提供温度信息,进行实时控制。机械传动控制部分进行电机转速控制,从而实现坩埚或炉体移动速度的控制,以及坩埚的旋转。

    格勒诺布尔技术学院(Grenoble INP,格勒诺布尔综合理工学院)是一个由六所工程师学校组成的法国科技大学系统。该校设有2年的预科课程,成人教育部,35个实验室,以及工程科学研究院。每年有超过1100位工程师从这里毕业,使之成为法国最大的高等专科学校。

    格勒诺布尔技术学院功臣科学研究院利用FEMAG/VB软件进行数值模拟并且提出了一种新的配置方法。它优化了晶体生长炉的温度场以及坩埚的牵引速度和时间,从而减少了样本的径向温度梯度,另外还包含其他的一些约束以确保此物理过程的正常实现。模型与两个经典的非线性晶体生长过程有关,辐射热量交换和潜热的释放均在固液界面进行。这个问题的数学分析和发展速度很快,模拟结果令人满意,但是严重依赖于数值参数的选择,这能为后续改进优化实际的物理过程提供很好的参考。模拟结果如下图所示: