文章介绍：

CdTe作为一种重要的II-VI族化合物半导体材料，广泛应用于红外探测、核辐射探测及光电器件等领域。高质量CdTe单晶的制备对器件性能起着决定性作用。在晶体生长过程中，温度场分布、熔体流动行为及固液界面稳定性等因素会显著影响晶体的结构完整性和宏观均匀性。因此，构建稳定可控的热流体环境并系统评估其对晶体质量的影响，是实现高质量CdTe单晶合成的关键科学与工程挑战。

在空间微重力条件下，自然对流被显著抑制，晶体生长过程主要由热传导和弱流动行为主导，这被认为是获得高质量半导体单晶的重要途径。例如，Lamine等人利用FOTON-M3任务中的垂直布里奇曼法生长了Cd₀.₉Zn₀.₁Te:In晶体，证明了微重力下由脱湿诱导的非接触生长可提升晶体质量，获得具有更低夹杂物密度和更高电阻率（10¹¹ Ω·cm）的样品。然而，由于空间实验资源稀缺且研制周期长，在开展正式空间任务之前，有必要建立具有高物理等效性的地面镜像实验平台。该平台不仅需要复现空间材料科学实验柜的轴向温度场特征，还必须具备优异的热稳定性，以消除传统工业炉中常见的随机热扰动，从而为预测微重力加工参数提供精确的地面基准数据。

高温材料架的地面镜像装置是专门为此目的设计的等效验证系统。通过1:1还原空间站高温材料架的加热结构和磁场环境，该装置实现了对空间生长环境的高保真模拟。为深入评估该平台作为“空间预研系统”的有效性，并为未来空间实验中生长不同规格的晶体提供依据，研究晶体直径变化（尺寸效应）对生长过程的影响显得尤为重要。例如，Miyazaki等人采用微下拉法生长了不同直径的Ba(B₁₋ₓAlₓ)₂O₄单晶，发现减小晶体直径可降低成分过冷并提高晶体透明度。本课题组也在不同重力场下的模拟研究中探讨了直径对CdTe晶体生长的影响，发现较大直径更容易产生由径向温度梯度驱动的热对流，从而改变熔体内的流场结构。晶体直径的变化会显著调制径向温度梯度、压力梯度以及熔体流动的尺度，因此它成为评估地面平台仿真可靠性和工艺通用性的核心参数。

基于上述考虑，本研究利用高温材料架装置开展CdTe单晶生长研究，以验证空间实验的等效性。选取14 mm和20 mm两种典型直径，在相同的热环境下建立地面实验基准。利用红外扫描、X射线衍射和摇摆曲线分析等手段，系统表征了不同直径晶体的宏观形貌、缺陷分布及结晶质量。同时，采用数值模拟方法分析了不同直径条件下的温度场分布、熔体流场结构及固液界面形貌，并将模拟结果与实验获得的轴向X射线衍射表征数据进行交叉验证。通过实验与模拟的相互印证，进一步评估了该装置在复现空间晶体生长热场与流场特征方面的有效性和可靠性。

本研究的目标是建立一套完整的CdTe空间晶体生长地面验证方法学，为未来在空间站上开展大规模、高质量的单晶生长任务提供关键的实验基础和理论支持。

中文摘要：

为评估高温材料架地面镜像装置复现空间晶体生长热流体环境及支撑多样化工艺需求的能力，本研究开展了不同直径（14 mm和20 mm）CdTe单晶的生长实验与数值模拟，旨在通过尺寸效应分析验证该装置在不同晶体规格下的适用性。在相同工艺条件下，成功获得了完整的晶锭。利用高温材料架优异的热稳定性，本研究有效消除了随机热扰动，从而精确捕捉了尺寸变化对晶体质量的影响。实验表征表明，14 mm晶体具有更优的结晶质量，夹杂物分布均匀且取向一致。相比之下，20 mm晶体受尺寸效应影响，内部缺陷富集，红外透过率下降，并出现明显的亚晶粒分裂。数值模拟进一步从热-流耦合角度揭示了其机理：较大直径所伴随的径向温度梯度增大和固液界面稳定性下降是导致质量波动的主要因素。多尺度表征与模拟预测的高度一致性，不仅揭示了尺寸效应的规律，也证实了高温材料架装置具备精确复现热流体场特性以及支撑空间高温材料实验柜工艺通用性的能力。这为未来在空间站上开展大规模、高质量的单晶生长任务提供了坚实的地面验证基础。