Simulation of physical vapor transport process by spectral methods
Fiziksel buhar taşınımı işleminin spektral metodlarla benzeşimi
- Tez No: 76082
- Danışmanlar: PROF. DR. FARUK ARINÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Fiziksel buhar taşınımı, Kristal büyütme yöntemleri, Physical vapor transport, Crystal growth methods
- Yıl: 1998
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Fiziksel Buhar Taşımını (FBT) sıcak kaynak malzemenin süblime olup, asal bir gaz içinde taşınıp soğuk bir yüzeyde katılaşmasını içeren kristal büyütme yöntemidir. FBT spektroskopik cihazlarda kullanılan akustooptik ve optoelek- tronik malzemelerin büyütülmesinde sık kullanılan bir yöntemdir. Bu malzeme lerin kırılma indisindeki arzulanan homojenlik, akışkanın ısı ve kütle transferine bağlıdır. Bu çalışmada, iki boyutlu dikdörtgensel bir hacimde FBT işleminin benze şimi için, spektral metodlarla bir sayısal çözüm tekniği geliştirilmiştir. Köşe koşullarında oluşan belirsizlikler Le Quere tarafından önerilen bir yöntemin el deki probleme uyarlanmasıyla kaldırılmıştır. Her iki yönde de Gauss-Lobatto noktaları seçilip Chebyshev-Tau metodu kullanılmıştır. İki boyutta Helmholtz ve Poisson denklemlerinin çözümünde ortaya çıkan denklem setinini çözebilmek için üç ayrı çözüm yöntemi geliştirilmiştir. Bu tezde geliştirilen yöntem, dikdörtgensel hacimlerdeki akışkan hareketle-rinin Chebyshev-Tau metoduyla benzeşiminin, az sayılabilecek miktarda (pe riyodik problemlerde kullanılan Fourier Chebyshev yöntemie yakın) hesaplama gücüyle yapılabileceğini göstermiştir. Yöntemin doğruluğu, sonuçların Benard probleminin ve silikonun indiyum içinde çözülmesi deneylerinin sonuçlarıyla karşılaştırılması sonucu ispatlanmış tır. Yöntemin FBT işlemine uygulanması, spektral metodlarla kristal büyütme işleminin benzeşiminin yapılabileceğini göstermiştir. Bunun ötesinde, sonlu ele manlar ve sonlu farklar yöntemleriyle daha önce yapılan çözümlerin, kristal büyüme hızlarının tahmininde, yeterince hassas olmayabileceği gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçların analizi, daha önceki çalışmalardaki tahminlerin deney sonuçlarıyla tutmamasının sebeplerinin kullanılan çözüm yönteminin yetersiz hassasiyeti, taşınım özeliklerinin yanlış tahmin edilmesi ve ihmal edilen çözelti etkileri ile açıklanabileceğini göstermiştir. Sonuç olarak, spektral metodların son otuz yıldır sorunlar yaşanan kristal büyüme hızlarını tahmin etmede kullanılabileceği söylenebilir. Bunların da ötesinde, aeresol oluşumu ve radyasyon gibi etkilerin eldeki modele eklenmesiyle kristal içindeki yabancı maddelerin dağılımı, tahmin edilebilir. Böylece istenen akustik, optik, ısıl ve mekanik özeliklerdeki kristallerin tasarımı mümkün ola bilecektir.
Özet (Çeviri)
Physical Vapor Transport (PVT) is a crystal growth process involving subli mation from a hot source material, transport through an inert gas, and con densation to a cool sink. This method is particularly convenient for growing acousto-optic opto-electronic materials which are useful for wide-band spectro scopic devices because of their optical properties and wide transmission range. The desired homogeneity in refractive index depends on the heat and mass transport of the bulk fluid. In this study, a numerical solution technique for the simulation of the PVT process in two-dimensional rectangular enclosures is developed by spectral meth ods. Stream function-vorticity formulation is used for the solution of momen tum equations. Discontinuities at the corners are removed by an extension of a method suggested by Le Quere. Space discretization is done by applying the Chebyshev-Tau method in both dimensions using Gauss-Lobatto points. A general differential equation solver for two-dimensional Helmholtz and Poissonequations is developed to solve the sparse matrix system of two-dimensional Chebyshev-Tau expansion using three separate schemes: a banded matrix sys tem, an iterative scheme and a singular value decomposition based method. The numerical solution method developed in this work made it possible to simulate problems of fluid flow in rectangular cavities with computer resource requirements that are comparable to Fourier-Chebyshev spectral method. Verification of the method is done by simulating the classical Benard problem and the dissolution of silicon in indium during liquid phase epitaxial growth. Application of the present method to the PVT process showed that crystal growth can successfully be simulated by spectral methods. Furthermore, earlier simulations by finite difference and finite element methods were not accurate enough for the predictions of the growth rates. In addition, the results of present study indicated that earlier predictions failed due to insufficient accuracy of the numerical schemes used, inaccurate predictions of transport properties, and ignored solutal effects. Finally, the present method can readily be used to estimate growth rates which has been a problem over the last three decades. Moreover, morphology of the grown crystals and distribution of impurities can be predicted with the inclusion of aerosol formation, thermophoresis and radiation effects. This can further lead to the design of growth processes for crystals with desired thermal, optical, acoustic and mechanical properties.
Benzer Tezler
- Investigation of thermal-flow performance in close circuit cooling towers
Kapalı çevrim soğutma kulelerinde termal-akış performansının incelenmesi
EFE GÜRLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAHSİN ENGİN
- Computational design and analysis of nanostructured materials for neuromorphic engineering
Neuromorfik mühendislik için nano yapılı malzemelerin hesaplamalı tasarımı ve analizi
AYKUT TURFANDA
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- İnsansız hava araçları için batarya-yakıt hücresi hibrit enerji yönetim sisteminin geliştirilmesi
Development of a battery-fuel cell hybrid energy management system for unmanned aerial vehicles
BARAN KUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Bakır alaşımları esaslı anti-bakteriyel yüzey kaplamalarının üretimi ve karakterizasyonu
Anti-bacterial efficacy of wire arc sprayed copper alloy coatings against various pathogens
SAMİ ARDA KOCAMAN
Doktora
Türkçe
2022
Enfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve sistem konut yapılarında dış duvarların ısıl ve nemsel performansının değerlendirilmesi
Hygrothermal performance assessment of exterior walls of traditional timber framed houses in Türkiye
SEDA NUR ALKAN
Doktora
Türkçe
2023
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH YAZICIOĞLU