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Instabilities in a Crystal Growth Melt Subjected to Alternating Magnetic FieldsDavis, Kenny 16 September 2013 (has links)
In confined bulk crystal growth techniques such as the traveling heater method, base materials in an ampoule are melted and resolidified as a single crystal. During this process, flow control is desired so that the resulting alloy semiconductors are uniform in composition and have minimal defects. Such control allows for tuned lattice parameters and bandgap energy, properties necessary to produce custom materials for specific electro-optical applications. For ternary alloys, bulk crystal growth methods suffer from slow diffusion rates between elements, severely limiting growth rates and reducing uniformity. Exposing the electrically conducting melt to an external alternating magnetic field can accelerate the mixing. A rotating magnetic field (RMF) can be used to stir the melt in the azimuthal direction, which reduces temperature variations and controls the shape at the solidification front. A traveling magnetic field (TMF) imposes large body forces in the radial and axial directions, which helps reduce the settling of denser components and return them to the growth front. In either case, mixing is desired, but turbulence is not. At large magnetic Taylor numbers the flow becomes unstable to first laminar and then turbulent transitions. It is imperative that crystal growers know when these transitions will occur and how the flow physics is affected. Here, the melt driven by electromagnetic forces is analyzed through the use of 3D numerical simulations of the flow field up to and beyond the point of laminar instability. The analysis aims to emulate laboratory conditions for generating electromagnetic forces for both types of alternating magnetic fields and highlights the differences between laboratory forces and the analytical approximations that are often assumed. Comparisons are made between
the resulting forces, flow fields, and points of instability as the frequency of the alternating field varies. Critical Taylor numbers and the resulting unstable flow fields are compared to the results from linear stability theory.
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VGF growth of 4” GaAs single crystals with traveling magnetic fieldsGlacki, Alexander 19 September 2014 (has links)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Si-dotierte und undotierte 4” VGF-GaAs Einkristalle unter dem Einfluss von Wandermagnetfeldern (TMF) gezüchtet. Die für den Prozess benötigte Wärme und das Wandermagnetfeld wurden simultan mithilfe der kombinierten Regelung von Gleich- und Wechselströmen in einem KRISTMAG Heizer-Magnet-Modul (HMM) erzeugt. Alle Züchtungsexperimente wurden in einer kommerziellen VGF-Anlage mit eingebautem Eintiegel-HMM und in einer neu entwickelten VGF-Anlage mit Multitiegel-HMM durchgeführt. Der Einfluss der durch die Lorentzkräfte angetriebenen Schmelze auf die Form der fest-flüssig Phasengrenze wurde innerhalb einer TMF-Parameterstudie analysiert. Im Vergleich mit Referenzkristallen, welche ohne TMF gezüchtet wurden, zeigte sich, dass die Durchbiegung der Phasengrenze durch die Anwendung eines geeigneten Doppelfrequenz-TMF um etwa 30% verringert und der Kontaktwinkel am Tiegel um etwa 10% vergrößert werden kann. Zudem wurden Synergieeffekte von TMF-Anwendung und den Ansätzen zur Prozessintensivierung - Scale-Up, Speed-Up und Numbering-Up - für die Verbesserung der Prozesseffizienz erfolgreichnachgewiesen. Es wurden gleichzeitig zwei 4” VGF-GaAs:Si Einkristalle unter dem Einfluss eines TMF in einer Multitiegel-Anlage gezüchtet. In Kristallen, welche ohne oder mit zu starkem TMF gezüchtet wurden, waren Wachstumsstreifen sichtbar. Wurde die magnetische Flussdichte des TMF an den Kristallisationsverlauf angepasst, konnten nahezu keine Mikroinhomogenitäten detektiert werden. Die Länge der Kristallfacetten stabilisierte sich durch den Einsatz der Wandermagnetfelder. Zusätzlich konnten die Versetzungsdichten innerhalb der Kristalle durch Optimierung des thermischen Aufbaus und der Phasengrenzform signifikant reduziert werden. Mithilfe eines dem Züchtungsverlaufes angepassten Doppelfrequenz-TMF sowie der Nutzung eines BN-Suszeptors, wurde eine durchschnittliche EPD von 100 cm-2 in einem GaAs:Si Kristall erzielt. / Within the framework of this thesis Si-doped and undoped 4” VGF-GaAs single crystals were grown under the influence of traveling magnetic fields (TMF). A KRISTMAG heater-magnet module (HMM) was used for the efficient simultaneous generation of heat and TMF during the process through a combination of DC and AC control. Growth experiments were carried out in a commercial VGF growth setup equipped with a single-crucible HMM and a newly designed VGF setup with a multi-crucible HMM. The impact of the Lorentz force driven melt flow on the shape of the solid-liquid interface was analyzed in a TMF parameter study on frequency, phase shift, and current. With the application of suitable double-frequency TMF during growth, the interface deflection was reduced by about 30% and crucible contact angles increased within the order of 10%, compared to reference crystals grown without TMF. Synergy effects of TMF application on process intensification approaches scale-up, speed-up, and numbering-up were successfully shown. Two 4” VGF-GaAs:Si single crystals were simultaneously grown under the influence of a TMF in the multi-crucible HMM. With TMF application changing structural and electronic properties as well as micro- and macrosegregation were investigated on Si-doped VGF-GaAs single crystals. Striations were observed in crystals grown without or too strong TMF. Almost no micro-inhomogeneities were detected when the magnetic flux densities of the TMF were matched to the progression of solidification. Facets lengths in the crystal cone were found to be more stable with applied TMF. Further, the combined optimization of the conventional thermal setup and a reduction of the interface deflection with TMF application significantly reduced dislocation densities inside the crystals. An average EPD value around 100 cm-2 was obtained for GaAs:Si growth with a growth-matched double-frequency TMF and applied BN susceptor in the single-crucible VGF setup.
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Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer WechselfelderBeckstein, Pascal 16 February 2018 (has links) (PDF)
Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.
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Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer WechselfelderBeckstein, Pascal 08 January 2018 (has links)
Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.
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