基于多物理场仿真的YIG薄膜液相外延生长工艺优化的研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0150

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (1): 29-36.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0150

基于多物理场仿真的YIG薄膜液相外延生长工艺优化的研究

吕搏闻¹(), 武珈羽², 张晗旭¹, 朱森寅¹, 张伶莉¹, 张宇民³, 王先杰¹(), 宋波¹^,⁴()

1.哈尔滨工业大学物理学院，哈尔滨 150001
2.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001
3.哈尔滨工业大学，特种环境复合材料技术国家级重点实验室，哈尔滨 150080
4.哈尔滨工业大学，激光空间信息全国重点实验室，哈尔滨 150001

收稿日期:2025-07-14 出版日期:2026-01-20 发布日期:2026-02-05
通信作者: 王先杰,宋波
作者简介:吕搏闻（2002—），男，山东省人，硕士研究生。E-mail：2814265835@qq.com
基金资助:
国家杰出青年科学基金(52225201);国家自然科学基金(52072085);激光空间信息全国重点实验室基金(LSI2024JCKY01)

Optimization of LPE Growth Process of YIG Films Based on Multi-Physics Field Simulation

LYU Bowen¹(), WU Jiayu², ZHANG Hanxu¹, ZHU Senyin¹, ZHANG Lingli¹, ZHANG Yumin³, WANG Xianjie¹(), SONG Bo¹^,⁴()

1. School of Physics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
2. School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
3. National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China
4. National Key Laboratory of Laser Spatial Information，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Received:2025-07-14 Online:2026-01-20 Published:2026-02-05
Contact: WANG Xianjie, SONG Bo

摘要/Abstract

摘要： 随着光通信技术与光子芯片的发展，钇铁石榴石（YIG）晶体因优异的磁光特性在光通信系统、磁光隔离器等领域展现出广阔的应用前景，液相外延（LPE）法作为YIG薄膜的主要制备方法之一而备受关注。LPE法生长YIG薄膜的核心在于溶质输运过程的精准调控，其中均匀的流场分布和一致的温场环境是保障平稳传质的决定性条件。因此，调控工艺参数，实现平稳的温场和流场，对生长高质量的YIG薄膜具有重要的科学意义。本文基于多物理场仿真的方法，建立了LPE法生长YIG晶体的温度-流动耦合模型，通过数值模拟揭示了坩埚旋转对熔体流动、轴向温度梯度，以及晶体生长速率的影响规律。通过系统的仿真优化，获得了一组较优的工艺参数：将坩埚转速控制在55~60 r/min，可显著抑制流场和温场的扰动，从而维持固-液界面的稳定性，这为YIG晶体的高质量外延生长提供了有利条件。本研究为复杂氧化物晶体的可控生长提供了理论指导和工艺优化的新思路。

关键词: 晶体生长; 液相外延; 钇铁石榴石; 温度-流动耦合; 温场; 流场

Abstract: With the development of optical communication technology and photonic chips， yttrium iron garnet （YIG） crystals have shown broad application prospects in optical communication systems， magneto-optical isolators and other fields due to excellent magneto-optical properties. Liquid phase epitaxy （LPE） method， as a primary technique for preparing YIG films， has attracted significant attention. The key to growing YIG films via LPE lies in the precise control of solute transport， in which uniform flow field distribution and uniform temperature field environment are critical conditions to achieve consistent mass transfer. Therefore， it is of great research importance to regulate process parameters to stabilize the temperature field and flow field， thereby facilitating the growth of high-quality YIG films. In this paper， based on the method of multi-physics field simulation， a temperature-flow coupling model of YIG crystal grown by LPE method was established. The influence of crucible rotation on melt flow， axial temperature gradient and crystal growth rate was revealed by numerical simulation. Through systematic simulation and optimization， a set of optimal process parameters are obtained： the crucible rotation speed is controlled at 55~60 r/min， which could significantly suppress the disturbance of flow field and temperature field， thus maintaining the stability of the solid-liquid interface and providing favorable conditions for the high-quality epitaxial growth of YIG crystals. This study offers valuable theoretical insights and novel strategies for process optimization of controllable growth of complex oxide crystals.

Key words: crystal growth; liquid phase epitaxy; yttrium iron garnet; temperature-flow coupling; temperature field; flow field

中图分类号:

O734

吕搏闻, 武珈羽, 张晗旭, 朱森寅, 张伶莉, 张宇民, 王先杰, 宋波. 基于多物理场仿真的YIG薄膜液相外延生长工艺优化的研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(1): 29-36.

LYU Bowen, WU Jiayu, ZHANG Hanxu, ZHU Senyin, ZHANG Lingli, ZHANG Yumin, WANG Xianjie, SONG Bo. Optimization of LPE Growth Process of YIG Films Based on Multi-Physics Field Simulation[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(1): 29-36.

图/表 6

图1 LPE设备示意图（a）和网格划分图（b）

Fig.1 Schematic diagram of LPE equipment （a） and grid division diagram （b）

表1 仿真所用材料的物理参数

Table 1 Physical parameters of materials used in simulation

Heat conductivity， K/（W·m^-1·K^-1）

Emissivity， ε

Density， ρ/（g·cm^-3）

Latent heat， L/（J·g^-1）

Specific heat capacity， C_p /（J·kg^-1·K^-1）

Marangoni coefficient

Viscosity， α

6.2

0.3

5.17

1 050

620

1×10^-3

1.7×10^-2

Steel

Heat conductivity， K/（W·m^-1·K^-1）

Emissivity， ε

Density， ρ/（g·cm^-3）

Specific heat capacity， C_p /（J·kg^-1·K^-1）

0.3

8.05

467

Air

Heat conductivity， K/（W·m^-1·K^-1）

Density， ρ/（g·cm^-3）

Specific heat capacity， C_p /（J·kg^-1·K^-1）

2.6×10^-2

7.561×10^-4

1 005

Platinum

Heat conductivity， K/（W·m^-1·K^-1）

Emissivity， ε

Density， ρ/（g·cm^-3）

Specific heat capacity， C_p /（J·kg^-1·K^-1）

0.2

21.45

1 300

图2 自然对流熔体分布图（a）、强制对流熔体分布图（b）及熔体流动轨迹图（c）

Fig.2 Natural conversion melt distribution diagram （a）， forced conversion melt distribution diagram （b） and melt flow track diagram （c）

图3 不同坩埚转速下熔体流动轨迹

Fig.3 Melt flow tracks at different crucible rotation speeds

图4 系统温度分布（a）及轴向温度梯度（b）

Fig.4 System temperature distribution （a） and axial temperature gradient （b）

图5 不同坩埚转速下晶体生长模拟图

Fig.5 Crystal growth simulation diagrams at different crucible rotation speeds

参考文献 23

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基于多物理场仿真的YIG薄膜液相外延生长工艺优化的研究

Optimization of LPE Growth Process of YIG Films Based on Multi-Physics Field Simulation

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