论文部分内容阅读
波样耗散结构出现在Czochralski(Cz)融液生长法制备单晶过程中,它是一种复杂的熔体热对流现象,主要由浮力不稳定性、毛细力引起的表面张力不稳定性以及旋转引起的离心力不稳定性等引起的。大直径高品质的单晶体是单晶生产界的追求。波样耗散结构出现在大尺度单晶体生长系统中的融液表面,因此研究它,对于单晶生产的大直径化和高品质化,意义非常重大。自从发现波样耗散结构,学者们就对它进行了大量研究,但是这些研究很少有揭示波样结构是由什么样的、更小更基本的结构单元构成,也很少有研究这些更小更基本的结构单元是如何相互作用而形成宏观上的有序结构,同时对于引起波样耗散结构的几种不稳定作用力中究竟是哪个作用力所起作用最大也缺乏研究。本文以Czockralski(CZ)法晶体生长系统中坩埚内熔体为研究对象,通过大规模数值模拟出了具有不同波数的著名耗散结构-波样流动,并应用正交分解法抽出了波样耗散结构的基本流动模式,分析了基本流动模式形成波样耗散结构的动力学过程,研究了究竟是哪种不稳定性作用力对波样耗散结构的形成影响最大。研究结果发现:(1).波样耗散结构的主要基本模式是很有规律的,宏观的大涡是在许多基本小涡的基础上形成的。两个波的波样耗散结构的基本模式是成对出现的,而且在周向是规律性以4个小涡递增的。类似地,3个波的波样耗散结构基本模式是以3个为一组出现的,在周向是规律性以6个小涡递增的。它们径向都是由1层至多层增加的。(2).波样耗散结构的原始温度场可以由平均温度场和瞬时温度场线性重构。波数2和3的波样耗散结构的平均温度场等温线分布为平凡的同心圆。通过在平均温度场的基础上逐一叠加加权主要基本模式的方法,我们发现温度场宏观上的转动,是由于不同基本模式呈现与隐退交替进行的结果。(3).为了了解引起波样耗散结构的几种不稳定性作用力中究竟哪种作用贡献最大,本文还分析了由浮力不稳定性或旋转引起的离心力不稳定性分别单独作用时数值计算的结果。由单独浮力和单独离心力作用下的融液表面等温线分布均表现为平凡的同心圆,但是通过对比分析构成它们的主要基本模式,发现两种情况下基本模式并不相同,最后,通过比较这两种情况下的主要基本模式与原始温度场的基本模式得出结论:对于本文所研究的波样耗散结构起主要作用的是浮力不稳定性。本文结果丰富了人们对波样耗散结构的认识。希望为进一步分析波样耗散结构这一特殊流动现象做好理论铺垫,并希望对制备单晶的生产工艺提供理论指导。