输运理论与溶质分凝剖析.pptVIP

第四章 输运理论与溶质分凝 通过对晶体生长过程的深入理解，实现对晶体制备技术研究的指导和预言。研究对象是晶体生长这一复杂的客观过程，研究内容相当庞杂。某些理论在生长实践中得到了应用，起了一定的指导作用。人们对晶体生长过程的理解有待进一步深化。 前言： 当某一物理量（如热量、质量或动量等）在空间分布不均匀时，就会有该物理量流的流动，这就是输运现象，而各种不同形式的输运效应是相互联系的。输运现象与物理量空间分布的梯度有关，即梯度是造成输运的驱动力。 输运过程是晶体生长的重要阶段。当晶体从浓厚环境相生长时，结晶潜热必须从生长界面传输出去，这是热量输运；当晶体从稀薄环境相生长时，生长基元需要首先输运到生长界面，然后才进行界面过程，这是质量输运。 输运效应限制晶体的生长速率、支配生长界面的稳定性。 ⅰ）稀薄环境相的自由生长机制： 当晶体生长的母相介质是气相或溶液相时，环境相和晶相的质点密度有很大差别，称之为稀薄环境相。生长过程遵从自由生长机制。 特点： 驱动力场为近似均匀； 晶面的生长速率仅取决于该晶面的生长机制和生长动力学规律； 驱动力为过饱和度，质量输运为主要的输运过程； 晶体的自范性得以完美体现。 ⅱ） 浓厚环境相的强制生长机制： 当晶体生长的母相介质是该物质的熔体时，因环境相和晶相的质点密度差别不明显，则把它叫做浓厚环境相。生长过程遵从强制生长机制。 特点： 驱动力场是不均匀的； 不同类型晶面上的生长驱动力必然不同； 驱动力为过冷度，热量输运是主要的输运过程； 生长速度的各向异性无法充分体现出来。 §2 热量输运与晶体形态控制 输运模式：辐射、对流、传导 ⅰ）温度场与固液界面 炉体内温度的空间分布称为温度场，简称温场。若炉内空间各点的温度分布达到稳态分布，即系统中温度仅仅是位置的函数，而与时间无关，则称此温场为稳态温场。 稳态分布是在不断运动中所达到的一种动态平衡，这种稳定是相对的。合适而稳定的温场必须是使来自熔体的热量与结晶潜热从固液界面处连续不断地输运出去，使界面稳定地朝向熔体方向移动。 将温场中所有温度相同的空间各点联结起来，构成一个空间曲面，称为等温面。稳态温场中不同的等温面是永不相交的。温度为熔体凝固点的等温面是固体与液体的分界面，称为固液界面。 固液界面的形状除受晶体的提拉速率、旋转速率和晶体的尺寸等因素影响外，主要取决于界面处热量输运的情况。 通过提供一个合适而稳定的温场，进而控制热量输运过程，是生长优质单晶的重要条件。 §3 动量输运与流体效应 自然对流与强迫对流 §4 质量输运与分凝效应 输运模式：扩散、对流 在实际的生长过程中，两种输运模式起着同等重要的作用。处理扩散问题使用菲克定律。 原料纯度 坩埚污染 加热元器件和机械部分 保护气氛 边界层（扩散层）理论指出，对粘滞性小的流体而言，由物体传播出的速度场、温度场和溶质浓度场本质上只波及到表面邻近的一个狭窄区域，将该区域分别称为速度边界层、温度边界层和溶质边界层。 讨论条件： 理想状态下的平衡凝固； 虽属非平衡凝固，但固液界面处始终保持局部的平衡凝固； 不考虑固相中的溶质扩散； 固液界面处液相内的溶质分布取决于液相内溶质的下述混合状况： ⑴ 溶质充分均匀混合 ⑵ 仅考虑扩散混合效应 ⑶ 溶质混合靠扩散和一定程度的对流 正常凝固方程: ⅲ） 仅考虑扩散效应 一维稳态溶质扩散方程（ ） 晶体中的溶质分布（实验室坐标系） ⅳ）液相内溶质部分混合 一维稳态传输方程 b) 多次通过后的溶质分布 §5 CZ法生长过程中的溶质均化 §6 几个与晶体质量有关的控制参数 ⅰ）生长速度与温度梯度 径向温度梯度的影响 生长着的晶体中一定存在径向温度梯度。弯曲的等温面所产生的最大应变超过了晶体的最大弹性应变 ，晶体中会出现位错以释放应变能