Oinarrizko prozesuaSiCKristalaren hazkundea tenperatura altuan lehengaien sublimazioa eta deskonposizioa, gas faseko substantziak tenperatura-gradientearen eraginpean garraiatzea eta hazi-kristalean gas faseko substantzien birkristalizazio-hazkundea da. Horretan oinarrituta, arragoaren barrualdea hiru zatitan banatzen da: lehengaien gunea, hazkuntza-ganbera eta hazi-kristala. Zenbakizko simulazio-eredu bat marraztu zen benetako erresistentzian oinarritutaSiCkristal bakarreko hazteko ekipamendua (ikus 1. irudia). Kalkuluan: beheko aldeaarragoaalboko berogailuaren behealdetik 90 mm-ra dago, arragoaren goiko tenperatura 2100 ℃ da, lehengaien partikulen diametroa 1000 μm da, porositatea 0,6 da, hazkuntza-presioa 300 Pa eta hazkuntza-denbora 100 h. . PG lodiera 5 mm-koa da, diametroa arragoaren barne-diametroaren berdina da eta lehengaiaren gainetik 30 mm-ra dago. Lehengaien zonako sublimazio, karbonizazio eta birkristalizazio prozesuak kontuan hartzen dira kalkuluan, eta ez da kontuan hartzen PG eta gas faseko substantzien arteko erreakzioa. Kalkuluarekin erlazionatutako propietate fisikoaren parametroak 1. taulan agertzen dira.
1. irudia Simulazio-kalkulu-eredua. (a) Eremu termikoko eredua kristalen hazkuntzaren simulaziorako; (b) Arragoaren barne-eremuaren zatiketa eta erlazionatutako arazo fisikoak
1. taula Kalkuluan erabilitako parametro fisiko batzuk
2(a) irudiak erakusten du PG duen egituraren tenperatura (1. egitura gisa adierazita) PGrik gabeko egiturarena baino altuagoa dela (0 egitura gisa adierazia) PG azpitik, eta 0 egitura PGtik gorakoa baino txikiagoa. Tenperatura-gradiente orokorra handitzen da, eta PG-k bero-isolatzaile gisa jokatzen du. 2(b) eta 2(c) irudien arabera, 1. egituraren tenperatura-gradiente axial eta erradialak txikiagoak dira lehengaien eremuan, tenperatura banaketa uniformeagoa da eta materialaren sublimazioa osatuagoa da. Lehengaien eremuan ez bezala, 2 (c) irudiak erakusten du 1 egiturako hazi-kristalean tenperatura-gradiente erradiala handiagoa dela, eta hori bero-transferentzia-modu desberdinen proportzio desberdinek eragin dezakete, kristala interfaze ganbil batekin hazten laguntzen duena. . 2(d) Irudian, arragoaren posizio desberdinetako tenperaturak hazkundeak aurrera egin ahala goranzko joera erakusten du, baina 0 egituraren eta 1 egituraren arteko tenperatura-aldea pixkanaka txikitzen da lehengaien eremuan eta pixkanaka handitzen da hazkuntza-ganberan.
2. irudia Tenperaturaren banaketa eta arragoaren aldaketak. (a) 0 (ezkerrean) eta 1. egitura (eskuinean) egituraren arragoaren barruan tenperatura banaketa 0 h-tan, unitatea: ℃; (b) Tenperatura banaketa 0 eta 1 egiturako arragoaren erdiko lerroan lehengaiaren behealdetik 0 h-tan hazi-kristalera; (c) Tenperatura banaketa erditik arragoaren ertzera haziaren kristalaren gainazalean (A) eta lehengaien gainazalean (B), erdian (C) eta behean (D) 0 h-tan, r ardatz horizontala da. haziaren kristalaren erradioa A-rentzat, eta lehengaien eremuaren erradioa B ~ D-rako; (d) 0, 30, 60 eta 100 orduko 0, 30, 60 eta 100 orduko 0, 30, 60 eta 100 orduko hazkuntza-ganberaren 0. egiturako eta 1. egiturako goiko zatiaren (A), lehengaiaren gainazaleko (B) eta erdiko (C) tenperatura-aldaketak.
3. irudiak 0 egiturako eta 1 egiturako arragoan une ezberdinetan egiten den garraioa erakusten du. Gas faseko materialaren emaria lehengaien eremuan eta hazkuntza-ganberan handitzen da posizioa handitzean, eta materialaren garraioa ahuldu egiten da hazkundeak aurrera egin ahala. . 3. irudiak ere erakusten du simulazio baldintzetan, lehengaia lehenik arragoaren alboko horman grafitizatzen dela eta gero arragoaren behealdean. Gainera, lehengaiaren gainazalean birkristalizazioa dago eta pixkanaka loditzen doa hazkuntzak aurrera egin ahala. 4(a) eta 4(b) irudiek erakusten dute lehengaiaren barruko materialaren emaria hazkuntzak aurrera egin ahala txikiagotzen duela, eta 100 h-ko materialaren emaria hasierako momentuaren %50 ingurukoa dela; hala ere, emari-abiadura nahiko handia da ertzean, lehengaiaren grafitizazioa dela eta, eta ertzean emari-abiadura 100 ordutan erdiko eremuko emariarena baino 10 aldiz handiagoa da; gainera, PG-ren efektuak 1 egiturako materialaren emaria 1 egiturako lehengaien eremuan 0 egitura baino txikiagoa bihurtzen du. 4(c) irudian, materialaren fluxua lehengaien eremuan eta hazkuntza-ganbera pixkanaka ahuldu egiten da hazkuntzak aurrera egin ahala, eta lehengaien eremuko material-fluxua murrizten jarraitzen du, hau da, arragoaren ertzean aire-fluxuaren kanala irekitzeak eta oztopoak eragindakoa. goiko aldean birkristalizazioa; hazkuntza-ganberan, 0 egituraren material-fluxua azkar jaisten da hasierako 30 orduetan % 16ra arte, eta % 3 baino ez da gutxitzen hurrengo denboran, 1. egitura hazkuntza-prozesu osoan zehar nahiko egonkorra izaten jarraitzen duen bitartean. Hori dela eta, PGk materialaren emaria hazkuntza-ganberan egonkortzen laguntzen du. 4(d) irudiak kristalen hazkuntza frontean materialaren emaria konparatzen du. Hasierako momentuan eta 100 h-an, 0 egiturako hazkuntza-eremuan material garraioa 1 egiturakoa baino indartsuagoa da, baina beti dago 0 egituraren ertzean fluxu-abiadura handiko eremua, eta horrek ertzean gehiegizko hazkuntza dakar. . PGaren presentziak 1. egituran eraginkortasunez zapaltzen du fenomeno hau.
3. irudia Material-fluxua arragoan. 0 eta 1 egituretan 0 eta 1 egituretan garraiatzeko dinamizatzaileak (ezkerrean) eta abiadura-bektoreak (eskuinean), abiadura-bektore-unitatea: m/s
4. Irudia Materialaren emariaren aldaketak. (a) 0, 30, 60 eta 100 orduetan 0 egiturako lehengaiaren erdian materialaren emaria banaketaren aldaketak, r lehengaien eremuaren erradioa da; (b) 0, 30, 60 eta 100 orduetan 1 egiturako lehengaiaren erdian materialaren emaria banaketaren aldaketak, r lehengaien eremuaren erradioa da; (c) 0 eta 1 egituren hazkuntza-ganberaren barnean (A, B) eta lehengaiaren barnean (C, D) denboran zehar materialaren emariaren aldaketak; (d) Material emariaren banaketa 0 eta 1 egituren hazi-kristalaren gainazaletik gertu 0 eta 100 orduetan, r hazi-kristalaren erradioa da.
C/Si-k SiC kristalen hazkundearen egonkortasun kristalinoan eta akatsen dentsitatean eragiten du. 5(a) irudiak bi egituren C/Si erlazioaren banaketa alderatzen du hasierako momentuan. C/Si erlazioa pixkanaka txikitzen da arragoaren behetik goialdera, eta 1 egituraren C/Si erlazioa 0 egiturarena baino handiagoa da beti posizio ezberdinetan. 5(b) eta 5(c) irudiek erakusten dute C/Si erlazioa pixkanaka handitzen dela hazkuntzarekin, hau da, hazkundearen azken fasean barne tenperaturaren igoerarekin, lehengaien grafitizazioaren hobekuntzarekin eta Si-ren erreakzioarekin lotuta dagoela. gas fasean dauden osagaiak grafitozko arragoarekin. 5(d) Irudian, 0 eta 1 egituraren C/Si erlazioak nahiko desberdinak dira PG azpitik (0, 25 mm), baina apur bat desberdinak PGtik (50 mm), eta aldea pixkanaka handitzen doa kristalera hurbildu ahala. . Oro har, 1 egituraren C/Si erlazioa handiagoa da, eta horrek kristalaren forma egonkortzen laguntzen du eta fase-trantsizioaren probabilitatea murrizten du.
5. Irudia C/Si ratioaren banaketa eta aldaketak. (a) C/Si erlazioaren banaketa 0 (ezkerrean) eta 1 egitura (eskuinean) 0 h-ko arragoetan; (b) C/Si erlazioa 0 egiturako arragoaren erdiko lerrotik distantzia ezberdinetan une ezberdinetan (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si erlazioa 1. egiturako arragoaren erdiko lerrotik distantzia ezberdinetan une desberdinetan (0, 30, 60, 100 h); (d) C/Si erlazioaren alderaketa distantzia desberdinetan (0, 25, 50, 75, 100 mm) 0 egiturako (lerro jarraitua) eta 1 egitura (lerro etenaren) arragoaren erdiko lerrotik une desberdinetan (0, 30, 60, 100 h).
6. irudiak bi egituren lehengaien eskualdeen partikulen diametroaren eta porositatearen aldaketak erakusten ditu. Irudiak erakusten du lehengaiaren diametroa gutxitzen dela eta porositatea handitzen dela arragoaren hormaren ondoan, eta ertzeko porositateak handitzen jarraitzen duela eta partikulen diametroa txikitzen jarraitzen duela hazkundeak aurrera egin ahala. Ertz-porositate maximoa 0,99 ingurukoa da 100 ordutan, eta gutxieneko partikulen diametroa 300 μm ingurukoa da. Partikulen diametroa handitzen da eta porositatea gutxitzen da lehengaiaren goiko gainazalean, birkristalizazioari dagokiona. Hazkuntzak aurrera egin ahala birkristalizazio-eremuaren lodiera handitzen da, eta partikulen tamaina eta porositatea aldatzen jarraitzen dute. Partikulen diametro maximoa 1500 μm baino gehiagora iristen da, eta gutxieneko porositatea 0,13koa da. Horrez gain, PGk lehengaien eremuaren tenperatura handitzen duenez eta gasaren gainsaturazioa txikia denez, 1 egiturako lehengaiaren goiko zatiaren birkristalizazio-lodiera txikia da, eta horrek lehengaien erabilera-tasa hobetzen du.
6. Irudia Partikulen diametroaren (ezkerrean) eta porositatean (eskuinean) 0 egiturako eta 1 egiturako lehengaien eremuaren aldaketak une ezberdinetan, partikulen diametroaren unitatea: μm
7. irudiak erakusten du 0 egitura okertzen dela hazkundearen hasieran, eta hori lehengaiaren ertzaren grafitizazioak eragindako materialaren gehiegizko emariarekin erlazionatuta egon daiteke. Deformazio-maila ahuldu egiten da ondorengo hazkuntza-prozesuan, hau da, 4 (d) irudiko 0 egituraren kristal-hazkundearen aurrealdean dagoen materialaren fluxu-abiaduraren aldaketari dagokiona. 1. egituran, PGren eragina dela eta, kristalen interfazeak ez du deformaziorik erakusten. Horrez gain, PGk 1 egituraren hazkunde-tasa 0 egiturarena baino nabarmen txikiagoa da. 100 h igaro ondoren 1 egituraren kristalaren erdiko lodiera 0 egituraren % 68 baino ez da.
7. Irudia 0 egituraren eta 1 egituraren kristalen interfaze-aldaketak 30, 60 eta 100 orduetan
Kristalaren hazkuntza zenbakizko simulazioaren prozesu-baldintzetan egin zen. 0 eta 1 egiturak hazitako kristalak 8(a) eta 8(b) irudian agertzen dira, hurrenez hurren. 0 egiturako kristalak interfaze ahur bat erakusten du, erdiko eremuan ondulazioak eta ertzean fase-trantsizioa dituena. Gainazaleko ganbiltasunak gas-faseko materialen garraioan nolabaiteko deshomogeneotasun-maila adierazten du, eta fase-trantsizioa gertatzea C/Si erlazio baxuari dagokio. 1 egiturak hazitako kristalaren interfazea apur bat ganbila da, ez da fase trantsiziorik aurkitzen eta lodiera kristalaren % 65 da PGrik gabe. Oro har, kristal-hazkundearen emaitzak simulazio-emaitzekin bat datoz, 1 egituraren kristal-interfazean tenperatura-diferentzia erradial handiagoarekin, ertzean hazkunde azkarra kentzen da eta materialaren emaria orokorra motelagoa da. Joera orokorra bat dator zenbakizko simulazioko emaitzekin.
8. Irudia 0 eta 1 egituraren azpian hazitako SiC kristalak
Ondorioa
PG-k lehengaien eremuaren tenperatura orokorra hobetzeko eta tenperatura axialaren eta erradialen uniformetasuna hobetzeko laguntzen du, lehengaiaren sublimazio eta erabilera osoa sustatzen du; goiko eta beheko tenperatura-aldea handitzen da, eta haziaren kristalaren gainazaleko gradiente erradiala handitzen da, eta horrek interfaze ganbilaren hazkundea mantentzen laguntzen du. Masa-transferentziari dagokionez, PG sartzeak masa-transferentzia-tasa orokorra murrizten du, PGa duen hazkuntza-ganberako materialaren emaria gutxiago aldatzen da denborarekin eta hazkunde-prozesu osoa egonkorragoa da. Aldi berean, PGk ere eraginkortasunez inhibitzen du ertz-masa-transferentzia gehiegizko agerraldia. Horrez gain, PG-k hazkunde-ingurunearen C/Si erlazioa ere handitzen du, batez ere hazi-kristalen interfazearen aurreko ertzean, eta horrek hazkuntza-prozesuan fase-aldaketaren agerraldia murrizten laguntzen du. Aldi berean, PGren isolamendu termikoaren efektuak lehengaiaren goiko aldean birkristalizazioa agertzea murrizten du neurri batean. Kristalen hazkunderako, PGk kristalen hazkunde-tasa moteltzen du, baina hazkuntza-interfazea ganbilagoa da. Hori dela eta, PG bitarteko eraginkorra da SiC kristalen hazkuntza-ingurunea hobetzeko eta kristalen kalitatea optimizatzeko.
Argitalpenaren ordua: 2024-06-18