硅纤维 CVD 反应器的 CFD 模型与灵敏度引导设计
应用物理
2025-06-25 v1 流体动力学
摘要
纤维基化学蒸发沉积（CVD）用于硅（Si）涂层常被视为平面沉积的简单改造，即只是将基底换成圆柱形。但这忽略了传输现象和反应动力学相互作用的根本性变化。在纤维 CVD 中，纤维不仅是基底，更是主要的热源和流动扰动器。本文提出：硅薄膜生长在纤维表面究竟由什么决定？我们采用经验证的三维计算流体动力学（CFD）模型，表明纤维几何形状、热梯度和流动引起的浮力并不仅仅影响均匀性——它们定义了沉积发生的各种 regime（反应受限、过渡、扩散受限）。我们的模型（R²=0.969）揭示了温度、流速和反应器布局如何根本性地改变生长动力学。我们表明，减小纤维直径从 2 毫米到 500 微米不仅仅增加局部表面积——在精心调谐的高温 regime 下，生长速率可提升约三倍（最高可达约每分钟 39 微米）。类似地，多纤维 setup 并不仅仅按比例放大沉积，还重塑流动场并加剧热不对称，时而改善均匀性，时而恶化均匀性。这些效应若不通过建模传输与动力学的相互作用是无法察觉的。为将物理理解与设计可操作性相桥接，我们应用全球灵敏度分析通过多项式混沌展开（PCE）和 Sobol 指数揭示：在反应受限 regime 中，温度占主导；在扩散受限 regime 中，反应物输运才为主导。
引用
@article{arxiv.2506.18889,
title = {CFD Modelling and Sensitivity-Guided Design of Silicon Filament CVD Reactors},
author = {G. P. Gakis and G. Loachamín-Suntaxi and I. G. Aviziotis and E. D. Koronaki and P. P. Filippatos and G. Chatzigiannakis and S. P. A. Bordas and D. Davazoglou and A. G. Boudouvis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.18889},
year = {2025}
}