Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
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Étude de situations de cristallogénèse

Étude de situations de cristallogénèse

Séverine Millet, Valéry Botton, Daniel Henry, Hamda Ben Hadid, S. Kaddeche, F. Mokhtari, M. Albaric, D. Pelletier, J.P. Garandet, Y. Fautrelle, K. Zaidat

Les situations de solidification que nous étudions correspondent à des situations de Bridgman vertical (solidification par le bas, cas de la croissance du Silicium à l’INES) ou de Bridgman horizontal (solidification par le côté, cas de la solidification d’alliages métalliques sur l’expérience Afrodite au SIMAP/EPM). Ces études se sont aussi développées dans le cadre du PHC Maghreb dont le thème est "Modéliser et optimiser le processus de purification du silicium photovoltaïque par solidification dirigée" et qui regroupe notre équipe de recherche et trois équipes d’Algérie, Maroc et Tunisie.
Dans le cas de la croissance du Silicium, l’effet recherché est un brassage du bain fondu pour une meilleure homogénéisation. Deux moyens ont été étudiés : un brassage par une hélice ou un brassage non-intrusif par acoustic streaming. Le brassage par hélice a été étudié expérimentalement (maquette en eau et bains fondus) et numériquement par M. Chatelain dans le cadre de sa thèse (financement CEA), en collaboration entre l’INES et notre équipe [B25, A126, B26]. La problématique du brassage par acoustic streaming est présentée dans la rubrique "Ecoulements créés par ondes ultrasons".
Dans une optique plus appliquée à la solidification et en lien avec l’INES, nous souhaitons être capable d’estimer l’effet de ces mouvements sur la ségrégation des impuretés. D’après les modèles développés à l’INES par J.P. Garandet, ces effets solutaux, tels que la ségrégation, peuvent être estimés à partir du cisaillement à l’interface. Dans le cadre de la thèse de N. El Ghani, nous avons donc développé une méthode électrochimique permettant des mesures de cisaillement en paroi dans l’eau et avons ainsi pu caractériser la couche limite solutale induite par un écoulement d’acoustic streaming impactant une paroi. Dans le cadre du PHC Maghreb, nous avons aussi étudié l’effet pouvant être obtenu par vibration, effet sur la convection dans le bain fondu ainsi que sur la ségrégation des impuretés (thèse de S. Bouarab).

Variation de la vitesse maximale dans un écoulement de convection en cavité différentiellement chauffée soumise à des vibrations quand on fait varier l’angle $\alpha$ des vibrations (vibrations horizontales pour $\alpha=0^\circ$ et verticales pour $\alpha=90^\circ$). L’écoulement de convection pure tourne dans le sens trigonométrique, mais les vibrations ($90^\circ<\alpha<180^\circ$) peuvent inverser ce mouvement.

Dans le cas de la solidification d’alliages métalliques sur l’expérience Afrodite, les lingots sont confinés transversalement et on applique une différence de température entre les parois d’extrémité pour, durant la solidification, favoriser la convection et le mélange des constituants qu’elle induit dans le bain fondu. Sur ce problème, la thèse de R. Boussaa nous a permis de retrouver, par simulation numérique tridimensionnelle de la solidification, les canaux ségrégés observés expérimentalement et qui sont des sources de fragilité dans les lingots solidifiés [A120]. Un modèle bidimensionnel intégrant une approche de Hele-Shaw (dit modèle 2D½) a aussi été développé [A106]. La thèse de I. Hamzaoui a permis de montrer que ce modèle 2D½ était capable de reproduire fidèlement à la fois des situations purement convectives et des configurations de solidification [A130].

Ecoulement dans le bain fondu et position de l’interface à l’état d’équilibre de la solidification pour des températures de parois droite et gauche respectivement en dessous et au dessus de la température de solidification [A130].

Travail plus ancien : situations de cristallogénèse.

Nous avions abordé l’étude des situations de cristallisation avec déplacement de l’interface solide-liquide dans le cas de la situation de Bridgman, en nous intéressant particulièrement aux mouvements de convection dans la phase liquide, à la répartition des impuretés dans le bain fondu et le cristal (phénomènes de macroségrégation) (thèse de S. Kaddeche), puis à la prise en compte de conditions de croissance périodiques et à la considération de convection solutale pure (thèse de F.Z. Haddad). Ces travaux numériques ont été réalisés en lien avec le Centre d’Etudes Nucléaires de Grenoble. Ils ont donné des résultats intéressants pour la communauté de croissance cristalline qui ont été publiés dans le "Journal of Crystal Growth" [A25, A27, A30, A46, A53, A54]. Dans le cadre de collaborations internationales (J. Walker, C.J. Jing, D.J. Ma), nous avions aussi considéré d’autres configurations de croissance (Czochralski, fusion de zone) pour lesquelles nous nous sommes particulièrement intéressés aux écoulements et à leurs transitions [A57, A78, A69].

Striations dans le cristal dues à une fluctuation de la vitesse de tirage en croissance Bridgman horizontale [A46].