熔体局部涡流抑制调控固液界面实现超大尺寸铌酸锂晶体生长

针对8-12英寸超大尺寸铌酸锂（LN）晶体生长中固液界面形貌调控难题，山东大学团队创新性提出迭代继承有限元法（FEM），突破传统模拟非收敛瓶颈。研究发现强制对流过强会引发熔体中心局部涡流，导致异常凸界面形成，通过优化晶体尺寸、等径生长长度和转速参数，首次阐明涡流抑制对界面调控的关键作用，为光子集成芯片基础材料制备提供理论指导。

　　

在光子通信和量子芯片领域，铌酸锂（LiNbO₃, LN）因其优异的电光、声光和非线性光学特性被誉为"光学硅"。随着铌酸锂薄膜（LNOI）技术的突破，高密度光子集成电路（PICs）对8-12英寸超大尺寸LN晶体的需求激增。然而，传统提拉法（Czochralski）生长过程中，固液界面形貌失控导致晶体缺陷频发，尤其当晶体直径超过8英寸时，异常凸界面现象成为制约发展的"卡脖子"难题。

山东大学晶体材料国家重点实验室团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地将迭代继承法引入有限元模拟（FEM），成功攻克超大尺寸晶体生长模拟的收敛性难题。该方法将固液界面演化过程分解为若干连续小段进行分段计算，显著降低移动网格畸变带来的计算复杂度。通过建立8英寸LN晶体的二维轴对称模型，采用差异化网格策略（关键区域精细网格+非关键区域粗网格），系统研究了晶体尺寸、等径生长长度和转速对熔体对流及界面形貌的影响规律。

关键技术包括：1）迭代继承有限元法处理移动边界问题；2）多物理场耦合分析（温度场-流场-相变场）；3）基于熔体深度75%初始值的参数标准化；4）晶体转速梯度实验设计（9-15 rpm）。研究发现，6英寸晶体生长时强制对流主导的平界面优势，在8英寸体系中因中心热传递受阻转变为局部涡流，该涡流使固液界面中心区温度梯度骤增，形成超凸界面（中心凸起达3.2 mm）。通过对比4/6/8英寸晶体的界面偏转值，证实转速提升至12 rpm可有效抑制涡流，使8英寸晶体界面曲率降低62%。

在"晶体尺寸对对流及界面形貌的影响"章节，模拟显示：4英寸晶体自然对流占优，界面呈凹形；6英寸晶体强制对流增强，界面趋于平坦；8英寸晶体则因熔体体积增大产生"热屏障效应"，诱发中心涡流。在"等径生长长度的影响"部分，研究发现后期生长阶段熔体深度下降会加剧涡流强度，需动态调整转速维持界面稳定。

结论表明，局部涡流是超大尺寸LN晶体异常凸界面的根源，通过迭代继承FEM建立的"转速-涡流-界面形貌"调控模型，为12英寸晶体生长工艺优化提供理论依据。该研究不仅解决传统FEM在晶体生长模拟中的收敛难题，更揭示超大尺寸体系特有的熔体对流机制，对发展大尺寸光学晶体工业化制备技术具有里程碑意义。研究获得山东省泰山学者计划、重点研发计划等资助，相关成果已应用于8英寸LN晶体的实验生长，界面形貌控制精度提升40%以上。