Воздействие вращающегося магнитного поля на переход к осциллирующему режиму термокапиллярной конвекции и рост кристаллов методом плавающей зоны в условиях невесомости

Н.В. Бондарева, А.И. Феонычев  (Москва)

Для управления процессом переноса легирующих примесей в кристаллах полупроводниковых материалов, выращиваемых методом плавающей зоны в условиях невесомости, применение вращающегося магнитного поля может быть весьма полезным при учете всех особенностей возникающих при этом течений. Такие исследования были начаты нами в 1994 году, и первые результаты были доложены на 9-м европейском симпозиуме [1].

В настоящей работе это направление исследований было продолжено. Использованная модель конвекции, создаваемой вращающимся магнитным полем в неизотермической жидкости, проверена сравнением с экспериментами до режима развитого турбулентного течения жидкости, когда комплексный параметр Ha2Reω достигает значений, равных 2∙108. Для расчетов использовалась конечно-разностная схема повышенного (третьего) порядка точности по пространственным координатам.

В результате расчетов определены значения параметра Ha2Reω, при котором вторичное течение становится неустойчивым и наступает режим сначала осциллирующей конвекции (упорядоченные колебания скорости), а затем и турбулентное течение при сложной структуре течения и большом числе частот колебаний. Этот переход определяется неустойчивостью течения вращающейся жидкости у торцевых твердых границ в экмановском пограничном слое. Граница перехода мало зависит от типа граничного условия на боковой поверхности (твердая стенка или свободная поверхность).

Показано, что при сочетании термокапиллярной конвекции с вращающимся магнитным полем граница перехода от ламинарного к осциллирующему режиму зависит от числа Марангони. При этом эта зависимость неоднозначная. Термокапиллярная конвекция приводит как к большей устойчивости вторичного течения, так и к снижению порога устойчивости. Показано также, что можно получить снижение радиальной макросегрегации примеси при выращивании кристаллов методом плавающей зоны только при оптимальном выборе параметров Ha и Reω.

 

1. Feonychev A.I., Dolgikh G.A. Effect of magnetic field on crystal growth process under action of gravity and capillary force. Ninth European Symposium “Gravity-Dependent Phenomena in Physical Sciences”, Berlin. Germany, 2 – 4 May 1995. Abstracts. Р. 246.