Numerical Simulation of Multi-Parameter Control of Gas Flow Patterns During Chemical Vapor Deposition of ZnS

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0195

Abstract

Abstract: Numerical simulation studies on gas flow patterns in the deposition chamber during chemical vapor deposition （CVD） of zinc sulfide （ZnS） were conducted using FLUENT software. Focusing on the flow characteristics of zinc（Zn） vapor and hydrogen sulfide （H₂S） gas， a three-dimensional physical model of the deposition chamber was established， and the distribution characteristics of the gas flow field under the synergistic effects of various process parameters were systematically analyzed. The study emphasized the distribution of gas flow patterns， density flow fields， velocity flow fields， and the evolution of temperature fields under parameters such as chamber pressure and reactant inlet velocity. It aims to reveal how gas flow patterns influence the uniformity of ZnS deposition rates and the quality of material growth. Results indicate that as the deposition pressure increases from 3 000 Pa to 6 000 Pa and the nozzle velocity synchronously increases， the gas flow patterns in the deposition chamber exhibit a synergistic evolution trend of “disordered-ordered-stable-instable”. This work provides a theoretical basis and process optimization directions for the controllable growth of high-quality ZnS materials， and offers significant guiding value for the preparation of infrared optical materials.

Key words: ZnS; vapor deposition; numerical simulation; gas flow pattern; pressure regulation; inlet optimization; growth rate

CLC Number:

O782

WANG Hu, ZHAO Xiaobo, YAN Hao, LU Zhichen, CAO Yancui, ZHANG Shaofeng, SHI Lin, MA Pengfei. Numerical Simulation of Multi-Parameter Control of Gas Flow Patterns During Chemical Vapor Deposition of ZnS[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(3): 475-485.

Figures/Tables 11

Fig.1 Chemical vapor deposition furnace modeling front view （a）， side view （b）， bottom plate top view （c）

Fig.2 Computational mesh of the deposition chamber. （a） Front view；（b） side view showing the refined outlet；（c） bottom view showing the refined inlets

Table 1 First simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
3 000	6	10	670

Table 2 Residual convergence results of FLUENT numerical simulation

Energy	Epsilon	Continuity	K
10^-6	10^-5	10^-5	10^-5

Fig.3 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 3 000 Pa， Zn 6 m/s， and H2S 10 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

Table 3 Second simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
4 000	8	12	670

Fig.4 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 4 000 Pa， Zn 8 m/s， and H2S 12 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

Table 4 Third simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
5 000	10	14	670

Fig.5 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 5 000 Pa， Zn 10 m/s， and H2S 14 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

Table 5 Fourth simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
6 000	12	16	670

Fig.6 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 6 000 Pa， Zn 12 m/s， and H2S 16 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

References 35

[1]	何光宗，贺　芳，熊长新，等. 大面积硫化锌窗口红外保护膜设计与制备［J］. 光学与光电技术， 2015， 13（5）： 71.
	HE G Z， HE F， XIONG C X， et al. Design and deposition of infrared protective coatings on large area ZnS window［J］. Optics & Optoelectronic Technology， 2015， 13（5）： 71 （in Chinese）.
[2]	周杰明. 化学气相沉积 ZnS 多晶分层和残余应力形成机理及工艺控制研究［D］. 北京：北京有色金属研究总院， 2022.
	ZHOU J M. Study on formation mechanism and process control of polycrystalline stratification and residual stress in CVD ZnS［D］. Beijing： General Research Institute for Nonferrous Metals （GRINM）， 2022 （in Chinese）.
[3]	付利刚，霍承松，张福昌，等. 化学气相沉积硫化锌中六方相形成机制及抑制方法分析［J］. 红外与激光工程， 2010， 39（6）： 1100-1104.
	FU L G， HUO C S， ZHANG F C， et al. Form mechanism and restrain method of hexagonal in CVDZnS［J］. Infrared and Laser Engineering， 2010， 39（6）： 1100-1104 （in Chinese）.
[4]	赵小玻，韦中华，张　旭，等. 化学气相沉积ZnS、ZnSe研究进展［J］. 人工晶体学报， 2023， 52（12）： 2125-2134.
	ZHAO X B， WEI Z H， ZHANG X， et al. Research progress of chemical vapor deposition ZnS and ZnSe［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2023， 52（12）： 2125-2134 （in Chinese）.
[5]	ZHAO X B， WU K， LU D Z， et al. Linear optical characterization of meter-size zinc sulfide polycrystal［J］. Chinese Optics Letters， 2025， 23（1）： 011601.
[6]	魏乃光，郭　立，杨　海，等. 沉积温度、压力对CVDZnS晶粒尺寸及性能的影响［J］. 硅酸盐学报， 2020， 38（6）： 925-930.
	WEI N G， GUO L， YANG H， et al. Effects of deposition temperature and pressure on grain size and properties of CVDZnS［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2020， 38（6）： 925-930 （in Chinese）.
[7]	闫泽武，王和明，蔡以超，等. 用化学气相沉积（CVD）法制备硫化锌（ZnS）体块材料中晶体缺陷和生长工艺的研究［J］. 人工晶体学报， 2002， 31（2）： 111-113.
	YAN Z W， WANG H M， CAI Y C， et al. Study on growth technology and crystal defects in ZnS bulk crystal prepared by CVD method［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2002， 31（2）： 111-113 （in Chinese）.
[8]	周育先，方珍意，潘　伟，等. 低压化学气相沉积法制备ZnSe多晶及其性能研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2005， 34（2）： 306-308.
	ZHOU Y X， FANG Z Y， PAN W， et al. Fabrication of polycrystalline ZnSe by chemical vapor deposition and its properties［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2005， 34（2）： 306-308 （in Chinese）.
[9]	憨　勇，吴慧卓. 化学气相沉积法制备ZnS块材料的相结构［J］. 材料工程， 1999， 27（2）： 6-8.
	HAN Y， WU H Z. The phase structure of ZnS bulk materials prepared by chemical vapor deposition［J］. Journal of Materials Engineering， 1999， 27（2）： 6-8 （in Chinese）.
[10]	王凡. CVD法制备ZnS材料的数值模拟研究［D］. 北京：北京有色金属研究总院， 2012.
	WANG F. Numerical simulation study on preparation of ZnS materials by CVD［D］. Beijing： General Research Institute for Nonferrous Metals （GRINM）， 2012 （in Chinese）.
[11]	LIU Y C， HE Y R， YUAN Z G， et al. Numerical and experimental study on thermal shock damage of CVD ZnS infrared window material［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2014， 589： 101-108.
[12]	QU Z L， CHENG X M， HE R J， et al. Rapid heating thermal shock behavior study of CVD ZnS infrared window material： numerical and experimental study［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2016， 682： 565-570.
[13]	江　程，辛　吉，柴尚森，等. Ti₂AlNb合金电流辅助柔性介质成形及有限元数值模拟［J］. 锻压技术， 2025， 50（9）： 84-90.
	JIANG C， XIN J， CHAI S S， et al. Electrically-assisted flexible medium forming and finite element numerical simulation of Ti₂AlNb alloy［J］. Forging & Stamping Technology， 2025， 50（9）： 84-90 （in Chinese）.
[14]	王思懿，许建良，代正华，等. 多晶硅还原炉气相沉积反应数值模拟［J］. 化工进展， 2025， 44（2）： 706-716.
	WANG S Y， XU J L， DAI Z H， et al. Numerical simulation of chemical vapor deposition in polycrystalline silicon reduction furnace［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2025， 44（2）： 706-716 （in Chinese）.
[15]	王霄翔，龙连春，斯琴毕力格，等. CVD法制备C/C复合材料沉积炉流场数值模拟［J］. 炭素技术， 2023， 42（3）： 16-22.
	WANG X X， LONG L C， SIQIN B， et al. Numerical simulation of flow field in deposition furnace for C/C composites prepared by chemical vapor deposition［J］. Carbon Techniques， 2023， 42（3）： 16-22 （in Chinese）.
[16]	YANG H， GUO L， WEI N G， et al. Numerical simulation of CVDZnSe gas flow pattern and experimental study on optical properties［J］. Journal of Crystal Growth， 2020， 546： 125779.
[17]	GONG S C， LIU R G， CHOU F C， et al. Experiment and simulation of the recirculation flow in a CVD reactor for monolithic materials［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 1996， 12（1）： 45-51.
[18]	HARRIS D C. Development of hot-pressed and chemical-vapor-deposited zinc sulfide and zinc selenide in the United States for optical windows［J］. Window and Dome Technologies and Materials X， 2007： 654502.
[19]	闵伟. 化学气相沉积制备碳纳米管的数值模拟［D］. 南昌：南昌航空大学， 2015.
	MIN W. Numerical simulation of carbon nanotube preparation by chemical vapor deposition［D］. Nanchang： Nanchang Hangkong University （NCHU）， 2015 （in Chinese）.
[20]	夏小霞，周乃君，王志奇. 多晶硅化学气相沉积反应的三维数值模拟［J］. 人工晶体学报， 2014， 43（3）： 569-575.
	XIA X X， ZHOU N J， WANG Z Q. Three-dimensional numerical simulation of chemical vapor deposition of polysilicon［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2014， 43（3）： 569-575 （in Chinese）.
[21]	薛连伟. 多晶硅化学气相沉积数值模拟的研究进展［J］. 化工技术与开发， 2013（9）： 29-32.
	XUE L W. Research progress of polysilicon numerical simulation by chemical vapor deposition［J］. Technology & Development of Chemical Industry， 2013（9）： 29-32 （in Chinese）.
[22]	王　凡，苏小平，张树玉. CVD法制备ZnS的数值模拟［J］. 热加工工艺， 2013， 42（4）： 170-172.
	WANG F， SU X P， ZHANG S Y. Simulation of ZnS prepared by chemical vapor deposition［J］. Hot Working Technology， 2013， 42（4）： 170-172 （in Chinese）.
[23]	周荣亚，徐艳华，张荣蓓. 化学气相沉积法制备碳化硅过程的三维数值模拟［J］. 工业加热， 2018， 47（6）： 34-37+42.
	ZHOU R Y， XU Y H， ZHANG R B. 3D numerical simulation of chemical vapor deposition process of silicon carbide［J］. Industrial Heating， 2018， 47（6）： 34-37+42 （in Chinese）.
[24]	李晓静，于盛旺，张思凯，等. 新型MPCVD金刚石膜等离子发生器及等离子特性数值模拟［J］. 人工晶体学报， 2010， 39（4）： 867-871.
	LI X J， YU S W， ZHANG S K， et al. Numerical simulation of plasma in novel plasma reactor for MPCVD diamond film［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2010， 39（4）： 867-871 （in Chinese）.
[25]	陈　燕，王贞涛，罗惕乾. MOCVD反应器的数学模型及其数值模拟［J］. 排灌机械， 2004， 22（4）： 39-41.
	CHEN Y， WANG Z T， LUO T Q. Mathematics model and numerical analysis of the MOCVD reactor［J］. Drainage and Irrigation Machinery， 2004， 22（4）： 39-41 （in Chinese）.
[26]	刘新宇，唐清春，陈逢军，等. 基于Fluent的空化射流喷嘴的数值模拟研究［J］. 煤矿机械， 2025， 46（8）： 202-207.
	LIU X Y， TANG Q C， CHEN F J， et al. Numerical simulation study on cavitation jet nozzle based on fluent［J］. Coal Mine Machinery， 2025， 46（8）： 202-207 （in Chinese）.
[27]	罗俊杰，高　涛，杨　杰. 基于COMSOL的磁悬浮球系统联合仿真设计与分析［J］. 实验室研究与探索， 2025， 44（8）： 106-112.
	LUO J J， GAO T， YANG J. Simulation design and analysis of magnetic levitation ball system based on COMSOL［J］. Research and Exploration in Laboratory， 2025， 44（8）： 106-112 （in Chinese）.
[28]	袁　昆，芦洪超，周洋洋. 基于COMSOL的地连墙渗漏检测数值模拟与应用［J］. 安全与环境学报， 2025， 25（11）： 4264-4270.
	YUAN K， LU H C， ZHOU Y Y. COMSOL-based numerical modeling for leakage detection in diaphragm walls： engineering applications［J］. Journal of Safety and Environment， 2025， 25（11）： 4264-4270 （in Chinese）.
[29]	周乔楠，杨端益，吴霆烽. 基于FLUENT仿真的临界流文丘里喷嘴法气体装置滞止压力测量影响探讨［J］. 计量与测试技术， 2025， 51（7）： 43-45+50.
	ZHOU Q N， YANG D Y， WU T F. Discussion on the influence of critical flow venturi nozzle method on stagnation pressure measurement of gas device based on FLUENT simulation［J］. Metrology & Measurement Technique， 2025， 51（7）： 43-45+50 （in Chinese）.
[30]	陈　彬，陈　瑞，李　青，等. 输流管道中涡流特性的Fluent分析［J］. 机械， 2025， 52（5）： 8-14+35.
	CHEN B， CHEN R， LI Q， et al. Fluent analysis of vortex characteristics in the effluent pipeline［J］. Machinery， 2025， 52（5）： 8-14+35 （in Chinese）.
[31]	NI H Y， LU S J， CHEN C X. Modeling and simulation of silicon epitaxial growth in Siemens CVD reactor［J］. Journal of Crystal Growth， 2014， 404： 89-99.
[32]	徐学珍，许效红，张长鑫，等. 化学气相沉积钽的动力学模型［J］. 有色金属（冶炼部分）， 1995（4）： 26-29+39.
	XU X Z， XU X H， ZHANG C X， et al. Kinetic model of chemical vapor deposition of tantalum［J］. Nonferrous Metals （Extractive Metallurgy）， 1995（4）： 26-29+39 （in Chinese）.
[33]	倪昊尹. 西门子CVD多晶硅还原炉内传递与反应过程数值模拟研究［D］. 上海：华东理工大学， 2015.
	NI H Y. Numerical simulation study on mass transfer and reaction process in Siemens CVD polysilicon reduction furnace［D］. Shanghai： East China University of Science and Technology （ECUST）， 2015 （in Chinese）.
[34]	季龙庆. 化学气相沉积制备碳化硅过程的数值模拟［D］. 大连：大连理工大学， 2013.
	JI L Q. Numerical simulation of silicon carbide preparation by chemical vapor deposition［D］. Dalian： Dalian University of Technology （DUT）， 2013 （in Chinese）.
[35]	苏小平，杨海，余怀之，等. 制备大尺寸高均匀CVD ZnS材料的设备及其工艺： CN200410102512.5［P］. 2008-05-14.
	SU X P， YANG H， YU H Z， et al. Equipment and process for preparing large-size and high-uniformity CVD ZnS materials：CN200410102512.5［P］. 2008-05-14 （in Chinese）.