Моделирование процессов массообмена при выращивании кристаллов KDP из раствора


https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-1-26-34

Полный текст:


Аннотация

Определение условий высокоскоростного выращивания монокристаллов надлежащего качества является приоритетным направлением для промышленного производства кристаллических материалов. Кристаллы дигидрофосфата калия (KDP) — это важные оптические материалы, которые выращивают из водного раствора. Поэтому увеличение скорости выращивания и качества монокристалла имеет важное прикладное значение.

Выполнено математическое моделирование гидродинамических и массообменных процессов при выращивании KDP кристаллов. Течение и массоперенос исследованы в рамках моделирования сплошной среды, которая рассмотрена как водный раствор специальной соли — дигидрофосфата калия. Эта соль растворяется в воде до уровня насыщения при высокой температуре. Затем такой пересыщенный раствор используют для выращивания кристаллов при более низких температурах в кристаллизаторах непроточного и проточного типов. Математическая модель рассматрена в сопряженной постановке с учетом массообмена в системе «раствор—кристалл». Определены локальные особенности гидродинамики и массообмена в растворе вблизи поверхности растущего кристалла, которые могут влиять на локальную (для конкретного места и направления) скорость роста кристалла и образование дефектов. Обсуждены требования к кристаллизаторам, обеспечивающим «нужную» гидродинамику в растворе. Для апробации математической модели рассмотрена задача о кристаллизации длинной обтекаемой горизонтальной пластины, имитирующей растущую грань кристалла. Скорость осаждения соли оценивали по предложенной математической модели, которая сопрягает расчет течения раствора по уравнениям Навье—Стокса для несжимаемой жидкости с термодинамическим условием для нормального роста грани в условиях двумерного зарождения. Рассмотрены особенности течений раствора в различных конструкциях кристаллизаторов. Действие проточных кристаллизаторов проанализировано для различных вариантов втекания раствора (осевое и кольцевое) и вытекания через осевое донное отверстие.


Об авторах

Н. А. Верезуб
Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН
Россия

Верезуб Наталия Анатольевна — кандидат  физико-математических наук, старший научный сотрудник 

просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526



В. Л. Маноменова
Институт кристаллографии, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Россия

Маноменова Вера Львовна — кандидат химических наук, старший научный сотрудник 

Ленинский просп., д. 59, Москва, 119333



А. И. Простомолотов
Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН
Россия

Простомолотов Анатолий Иванович — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, 

просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526



Список литературы

1. Волошин А. Э., Рашкович Л. Н., Руднева Е. Б., Маноменова В. Л. Выращиваем кристаллы // Природа. 2014. № 10. C. 62—72. URL: http://priroda.ras.ru/pdf/2014-10.pdf

2. Voloshin A. E., Baskakova S. S., Rudneva E. B. Study of the defect formation in KDP crystals grown under extremely high supersaturation // J. Cryst. Growth. 2017. V. 457. P. 337—342. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.03.035

3. Cooper J. F. Rapid growth of KDP crystals // Energy and Technology Rev. 1985. P. 12—15. URL: https://lasers.llnl.gov/multimedia/publications/pdfs/etr/1985_08.pdf

4. Воронцов Д. А., Ким Е. Л. Рост кристаллов дигидрофосфата калия: морфология поверхности и технология выращивания : электронное учебно-методическое пособие. Н. Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. 41 с. URL: http://www.unn.ru/pages/e-library/methodmaterial/files/KDP_crystal_growth.pdf

5. Verma1 S., Muralidhar K. Imaging convection, concentration and surface micromorphology during crystal growth from solution using optical diagnostics // Recent Res. Devel. Crystal Growth. 2009. V. 5. P. 141—314. URL: http://nptel.ac.in/courses/112104039/sup_5/article2.pdf

6. Mischgofsky F. H. Face stability and growth rate variations of the layer perovskite (C3H7NH3)2CuCl4 // J. Cryst. Growth. 1978. V. 44, Iss. 2. P. 223—234. DOI: 10.1016/0022-0248(78)90196-3

7. Scheel H. J., Elwell D. Stability and stirring in crystal growth from high-temperature solutions // J. Electrochem. Soc. 1973. V. 120, N 6. P. 818—824. DOI: 10.1149/1.2403569

8. Dinakaran S., Verma S., Das S. J., Kar S., Bartwal K. S. Influence of forced convection on unidirectional growth of crystals // Phys. B: Condensed Matter. 2010. V. 405, N 18. P. 3919—3923. DOI: 10.1016/j.physb.2010.06.028

9. Booth N. A., Chernov A. A., Vekilov P. G. Characteristic lengthscales of step bunching in KDP crystal growth: in situ differential phase-shifting interferometry study // J. Cryst. Growth. 2002. V. 237–239. P. 1818—1824. DOI: 10.1016/S0022-0248(01)02101-7

10. Chernov A. A. Step bunching and solution flow // J. Optoelectronics and Advanced Materials. 2003. V. 5, N 3. P. 575—587. URL: https://joam.inoe.ro/arhiva/pdf5_3/Chernov.pdf

11. Vekilov P. G., Alexander J. I. D., Rosenberger F. Nonlinear response of layer growth dynamics in the mixed kinetics-bulk- transport regime // Phys. Rev. E. 1996. V. 54, Iss. 6. P. 6650—6660. DOI: 10.1103/PhysRevE.54.6650

12. Smolsky I. L., Zaitseva N. P., Rudneva E. B., Bogatyreva S. V. Formation of «hair» inclusions in rapidly grown potassium dihydrogen phosphate crystals // J. Cryst. Growth. 1996. V. 166, Iss. 1–4. P. 228—233. DOI: 10.1016/0022-0248(96)00080-2

13. Coriell S. R., Murray B. T., Chernov A. A., McFadden G. B. Step bunching on a vicinal face of a crystal growing in a flowing solution // J. Cryst. Growth. 1996. V. 169, Iss. 4. P. 773—785. DOI: 10.1016/S0022-0248(96)00470-8

14. Coriell S. R., Murray B. T., Chernov A. A., McFadden G. B. The effect of a shear flow on the morphological stability of a vicinal face: Growth from a supersaturated solution // Advances in Space Research. 1998. V. 22, N 8. P. 1153—1158. DOI: 10.1016/S0273-1177(98)00158-6

15. Potapenko S. Yu. Formation of solution inclusions in crystal under effect of solution flow // J. Cryst. Growth. 1998. V. 186, Iss. 3. P. 446—455. DOI: 10.1016/S0022-0248(97)00542-3

16. Robey H. F., Potapenko S. Yu. Ex situ microscopic observation of the lateral instability of macrosteps on the surfaces of rapidly grown KH2PO4 crystals // J. Cryst. Growth. 2000. V. 213, Iss. 3–4. P. 355—367. DOI: 10.1016/S0022-0248(00)00025-7

17. Vartak B., Yeckel A., Derby J. J. Time-dependent, three-dimensional flow and mass transport during solution growth of potassium titanyl phosphate // J. Cryst. Growth. 2005. V. 281, Iss. 2–4. P. 391—406. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2005.04.037

18. Chuan Zhou, Mingwei Li, Zhitao Hu, Huawei Yin, Bangguo Wang, Qidong Cui. Simulation of the flow and mass transfer for KDP crystals undergoing 2D translation during growth // J. Cryst. Growth. 2016. V. 450. P. 103—118. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.05.052

19. Brailovskaya V. A., Zilberberg V. V., Feoktistova L. V. Numerical investigation of natural and forced solutal convection above the surface of a growing crystal // J. Cryst. Growth. 2000. V. 210, Iss. 4. P. 767—771. DOI: 10.1016/S0022-0248(99)00745-9

20. Robey H. F. Numerical simulation of the hydrodynamics and mass transfer in the large scale, rapid growth of KDP crystals-2: computation of the mass transfer // J. Cryst. Growth. 2003. V. 259, Iss. 4. P. 388—403. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2003.06.001

21. Liiri M., Enqvist Y., Kallas J., Aittamaa J. CFD modelling of single crystal growth of potassium dihydrogen phosphate (https://met.misis.ru/jour/editor/submissionEngCit/313KDP) from binary water solution at 30 °C // J. Cryst. Growth. 2006. V. 286, Iss. 2. P. 413—423. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2005.09.044

22. Prostomolotov A. I., Ilyasov H. H., Verezub N. A. CrystmoNet remote access code for Czochralski crystal growth modelling // Science and Technology. 2013. V. 3, N 2A. P. 18—25. DOI: 10.5923/s.scit.201301.04

23. Полежаев В. И., Бунэ А. В., Верезуб Н. А., Глушко Г. С., Грязнов В. Л., Дубовик К. Г., Никитин С. А., Простомолотов А. И., Федосеев А. И., Черкасов С. Г. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье— Стокса. М.: Наука, 1987. 270 с.

24. Xiaoding Wang, Mingwei Li, Yachao Cao, Jie Song, Zhitao Hu. 3D numerical simulation for single crystal growth of potassium dihydrogen phosphate in a new solution growth system // J. Cryst. Growth. 2011. V. 327, Iss. 1. P. 102—109. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2011.04.045

25. Voloshin A. E., Prostomolotov A. I., Verezub N. A. On the accuracy of analytical models of impurity segregation during directional melt crystallization and their applicability for quantitative calculations // J. Cryst. Growth. 2016. V. 453. P. 188—197. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.08.003


Дополнительные файлы

Для цитирования: Верезуб Н.А., Маноменова В.Л., Простомолотов А.И. Моделирование процессов массообмена при выращивании кристаллов KDP из раствора. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2018;21(1):26-34. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-1-26-34

For citation: Verezub N.A., Manomenova V.L., Prostomolotov A.I. Modeling the mass transfer processes in the growth of KDP crystals from solution. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2018;21(1):26-34. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-1-26-34

Просмотров: 53

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)