チョクラルスキー法による大口径品質単結晶作製の為の対流制御と最適育成条件探索

チョクラルスキー法はもっとも重要な単結晶作製方法である。本研究では紫外領域の全固体レーザー材料として期待されているLiCaAlF6(LiCAF)単結晶の最適作製条件を数値計算により求めることを目的とした。計算による最適条件の判定には成長速度、界面の形状および対流の安定性を利用し、最適な種結晶回転速度、結晶と坩堝の幾何学的配置を求めた。本研究で活用した流体計算は通常の流体計算コード(商用プログラムであるPhoenicsを利用)にマランゴニ対流を計算するサブルーチンをユーザールーチンとして取り込み、より実際の単結晶育成条件に近いモデルを構築した。このマランゴニ対流は自由表面の表面張力の差に起因する対流であり、通常の環境下では自然対流の方がはるかに大きく観察されない。そのために本研究で開発したユーザールーチンの妥当性を宇宙実験で行われる液柱(液体の柱、微小重力下では数センチの液体の柱が作製可能)に見られるマランゴニ対流をシミュレートした。液柱の高さと半径のアスペクト比と温度差によるマランゴニ対流の変化を再現でき、温度差により層流から、振動流、乱流への遷移の様子も観察できた。また、液柱の自由表面の曲率の違いによるマランゴニ対流への影響も確認した。LiCaAlF6の温度による粘性、密度の変化を入力したデータを用いた流体計算結果は2インチの結晶を作製することが可能なことが示された。この計算過程で、坩堝のサイズが大きくなれば界面を平滑に保っための種結晶の回転速度は小さくすべきこと、液体の高さや結晶のサイズが小さくなると対流を安定に保つ回転速度は速くすべきことがわかった。さらに大口径単結晶作製条件を見いだすべく研究を継続している。

チョクラルスキー法はもっとも重要な単結晶作製方法である。本研究では紫外領域の全固体レーザー材料として期待されているLiCaAlF6(LiCAF)単結晶の最適作製条件を数値計算により求めることを目的とした。計算による最適条件の判定には成長速度、界面の形状および対流の安定性を利用し、最適な種結晶回転速度、結晶と坩堝の幾何学的配置を求めた。本研究で活用した流体計算は通常の流体計算コード(商用プログラムであるPhoenicsを利用)にマランゴニ対流を計算するサブルーチンをユーザールーチンとして取り込み、より実際の単結晶育成条件に近いモデルを構築した。このマランゴニ対流は自由表面の表面張力の差に起因する対流であり、通常の環境下では自然対流の方がはるかに大きく観察されない。そのために本研究で開発したユーザールーチンの妥当性を宇宙実験で行われる液柱(液体の柱、微小重力下では数センチの液体の柱が作製可能)に見られるマランゴニ対流をシミュレートした。液柱の高さと半径のアスペクト比と温度差によるマランゴニ対流の変化を再現でき、温度差により層流から、振動流、乱流への遷移の様子も観察できた。また、液柱の自由表面の曲率の違いによるマランゴニ対流への影響も確認した。LiCaAlF6の温度による粘性、密度の変化を入力したデータを用いた流体計算結果は2インチの結晶を作製することが可能なことが示された。この計算過程で、坩堝のサイズが大きくなれば界面を平滑に保っための種結晶の回転速度は小さくすべきこと、液体の高さや結晶のサイズが小さくなると対流を安定に保つ回転速度は速くすべきことがわかった。さらに大口径単結晶作製条件を見いだすべく研究を継続している。