Quá trình cơ bản củaSiCSự phát triển tinh thể được chia thành sự thăng hoa và phân hủy nguyên liệu thô ở nhiệt độ cao, vận chuyển các chất pha khí dưới tác động của gradient nhiệt độ và sự tăng trưởng kết tinh lại của các chất pha khí ở tinh thể hạt. Dựa vào đó, bên trong nồi nấu kim loại được chia thành ba phần: khu vực nguyên liệu thô, buồng sinh trưởng và tinh thể hạt. Một mô hình mô phỏng số được vẽ dựa trên điện trở thực tếSiCthiết bị tăng trưởng đơn tinh thể (xem Hình 1). Trong tính toán: đáy củanồi nấu kim loạicách đáy của lò sưởi bên 90 mm, nhiệt độ trên cùng của nồi nấu kim loại là 2100oC, đường kính hạt nguyên liệu là 1000 μm, độ xốp là 0,6, áp suất tăng trưởng là 300 Pa và thời gian tăng trưởng là 100 h . Độ dày PG là 5 mm, đường kính bằng đường kính trong của nồi nấu kim loại và nằm cao hơn nguyên liệu thô 30 mm. Các quá trình thăng hoa, cacbon hóa và kết tinh lại của vùng nguyên liệu thô được xem xét trong tính toán và phản ứng giữa PG và các chất ở pha khí không được xem xét. Các tham số tính chất vật lý liên quan đến tính toán được thể hiện trong Bảng 1.
Hình 1 Mô hình tính toán mô phỏng. (a) Mô hình trường nhiệt để mô phỏng sự phát triển tinh thể; (b) Phân chia diện tích bên trong của nồi nấu kim loại và các vấn đề vật lý liên quan
Bảng 1 Một số thông số vật lý dùng trong tính toán
Hình 2(a) cho thấy nhiệt độ của cấu trúc chứa PG (ký hiệu là cấu trúc 1) cao hơn nhiệt độ của cấu trúc không có PG (ký hiệu là cấu trúc 0) bên dưới PG và thấp hơn nhiệt độ của cấu trúc 0 trên PG. Độ dốc nhiệt độ tổng thể tăng lên và PG hoạt động như một chất cách nhiệt. Theo Hình 2(b) và 2(c), gradient nhiệt độ hướng trục và hướng tâm của cấu trúc 1 trong vùng nguyên liệu thô nhỏ hơn, sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn và quá trình thăng hoa của vật liệu hoàn thiện hơn. Không giống như vùng nguyên liệu thô, Hình 2(c) cho thấy gradient nhiệt độ xuyên tâm ở tinh thể hạt của cấu trúc 1 lớn hơn, điều này có thể do tỷ lệ khác nhau của các chế độ truyền nhiệt khác nhau, giúp tinh thể phát triển với giao diện lồi . Trong Hình 2(d), nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong nồi nấu kim loại có xu hướng tăng dần khi quá trình tăng trưởng diễn ra, nhưng chênh lệch nhiệt độ giữa cấu trúc 0 và cấu trúc 1 giảm dần trong vùng nguyên liệu thô và tăng dần trong buồng tăng trưởng.
Hình 2 Sự phân bố nhiệt độ và những thay đổi trong nồi nấu kim loại. (a) Phân bố nhiệt độ bên trong chén nung của cấu trúc 0 (trái) và cấu trúc 1 (phải) tại 0 giờ, đơn vị: oC; (b) Sự phân bố nhiệt độ trên đường tâm của chén nung có cấu trúc 0 và cấu trúc 1 từ đáy nguyên liệu thô đến tinh thể mầm ở 0 giờ; (c) Sự phân bố nhiệt độ từ tâm đến mép chén trên bề mặt tinh thể hạt (A) và bề mặt nguyên liệu thô (B), giữa (C) và đáy (D) tại thời điểm 0h, trục hoành r là bán kính tinh thể hạt đối với A và bán kính vùng nguyên liệu thô đối với B~D; (d) Thay đổi nhiệt độ tại tâm của phần trên (A), bề mặt nguyên liệu thô (B) và giữa (C) của buồng tăng trưởng của cấu trúc 0 và cấu trúc 1 ở 0, 30, 60 và 100 h.
Hình 3 cho thấy sự vận chuyển vật liệu tại các thời điểm khác nhau trong nồi nấu kim loại của cấu trúc 0 và cấu trúc 1. Tốc độ dòng nguyên liệu pha khí trong vùng nguyên liệu thô và buồng tăng trưởng tăng lên khi vị trí tăng lên và sự vận chuyển vật liệu yếu đi khi quá trình tăng trưởng diễn ra . Hình 3 cũng cho thấy rằng trong các điều kiện mô phỏng, nguyên liệu thô trước tiên sẽ tạo thành than chì trên thành bên của nồi nấu kim loại và sau đó ở đáy nồi nấu kim loại. Ngoài ra, có sự kết tinh lại trên bề mặt nguyên liệu thô và nó dày dần lên khi quá trình tăng trưởng diễn ra. Hình 4(a) và 4(b) cho thấy tốc độ dòng nguyên liệu bên trong nguyên liệu thô giảm khi quá trình sinh trưởng diễn ra và tốc độ dòng nguyên liệu ở 100 giờ là khoảng 50% thời điểm ban đầu; tuy nhiên, tốc độ dòng chảy ở rìa tương đối lớn do quá trình than chì hóa của nguyên liệu thô và tốc độ dòng chảy ở rìa lớn hơn 10 lần so với tốc độ dòng chảy ở khu vực giữa trong 100 giờ; Ngoài ra, tác dụng của PG ở cấu trúc 1 khiến tốc độ dòng nguyên liệu trong vùng nguyên liệu của cấu trúc 1 thấp hơn so với cấu trúc 0. Trong hình 4(c), dòng nguyên liệu trong cả vùng nguyên liệu và vùng nguyên liệu Buồng tăng trưởng dần yếu đi khi quá trình tăng trưởng diễn ra và dòng nguyên liệu trong khu vực nguyên liệu thô tiếp tục giảm, nguyên nhân là do kênh dẫn khí ở rìa nồi nấu bị mở và sự cản trở quá trình kết tinh lại ở phía trên; trong buồng tăng trưởng, tốc độ dòng nguyên liệu của cấu trúc 0 giảm nhanh trong 30 giờ đầu xuống còn 16% và chỉ giảm 3% trong thời gian tiếp theo, trong khi cấu trúc 1 vẫn tương đối ổn định trong suốt quá trình tăng trưởng. Vì vậy, PG giúp ổn định tốc độ dòng nguyên liệu trong buồng tăng trưởng. Hình 4(d) so sánh tốc độ dòng vật liệu ở mặt trước phát triển tinh thể. Tại thời điểm ban đầu và 100 giờ, sự vận chuyển vật chất trong vùng tăng trưởng của cấu trúc 0 mạnh hơn so với cấu trúc 1, nhưng luôn có vùng tốc độ dòng chảy cao ở rìa của cấu trúc 0, dẫn đến sự tăng trưởng quá mức ở rìa . Sự hiện diện của PG trong cấu trúc 1 đã ngăn chặn hiện tượng này một cách hiệu quả.
Hình 3 Dòng nguyên liệu trong nồi nấu kim loại. Dòng truyền (trái) và vectơ vận tốc (phải) vận chuyển chất khí trong cấu trúc 0 và 1 ở các thời điểm khác nhau, đơn vị vectơ vận tốc: m/s
Hình 4 Những thay đổi về tốc độ dòng nguyên liệu. (a) Thay đổi phân bố tốc độ dòng nguyên liệu ở giữa vùng nguyên liệu của kết cấu 0 tại các thời điểm 0, 30, 60 và 100 h, r là bán kính vùng nguyên liệu; (b) Sự thay đổi phân bố tốc độ dòng nguyên liệu ở giữa vùng nguyên liệu của kết cấu 1 tại các thời điểm 0, 30, 60 và 100 h, r là bán kính vùng nguyên liệu; (c) Thay đổi tốc độ dòng nguyên liệu bên trong buồng tăng trưởng (A, B) và bên trong nguyên liệu thô (C, D) của cấu trúc 0 và 1 theo thời gian; (d) Phân bố tốc độ dòng vật chất gần bề mặt tinh thể hạt của cấu trúc 0 và 1 tại 0 và 100 h, r là bán kính của tinh thể hạt
C/Si ảnh hưởng đến độ ổn định tinh thể và mật độ khuyết tật của sự phát triển tinh thể SiC. Hình 5(a) so sánh sự phân bố tỷ lệ C/Si của hai cấu trúc tại thời điểm ban đầu. Tỷ lệ C/Si giảm dần từ đáy lên trên chén nung và tỷ lệ C/Si của cấu trúc 1 luôn cao hơn tỷ lệ C/Si của cấu trúc 0 ở các vị trí khác nhau. Hình 5(b) và 5(c) cho thấy tỷ lệ C/Si tăng dần theo sự tăng trưởng, điều này có liên quan đến sự gia tăng nhiệt độ bên trong trong giai đoạn tăng trưởng sau này, sự tăng cường quá trình grafit hóa nguyên liệu thô và phản ứng của Si các thành phần trong pha khí với nồi nấu bằng than chì. Trong Hình 5(d), tỷ lệ C/Si của cấu trúc 0 và cấu trúc 1 khá khác nhau ở dưới PG (0, 25 mm), nhưng hơi khác ở trên PG (50 mm) và sự khác biệt tăng dần khi nó tiến gần đến tinh thể . Nhìn chung, tỷ lệ C/Si của cấu trúc 1 cao hơn, giúp ổn định dạng tinh thể và giảm xác suất chuyển pha.
Hình 5 Phân bố và thay đổi tỷ lệ C/Si. (a) Phân bố tỷ lệ C/Si trong chén nung có cấu trúc 0 (trái) và cấu trúc 1 (phải) tại 0 giờ; (b) Tỷ lệ C/Si ở các khoảng cách khác nhau tính từ đường tâm của chén nung cấu trúc 0 tại các thời điểm khác nhau (0, 30, 60, 100 h); (c) Tỷ lệ C/Si ở các khoảng cách khác nhau tính từ đường tâm của chén nung của cấu trúc 1 tại các thời điểm khác nhau (0, 30, 60, 100 h); (d) So sánh tỷ lệ C/Si ở các khoảng cách khác nhau (0, 25, 50, 75, 100 mm) từ đường tâm chén nung của cấu trúc 0 (đường liền nét) và cấu trúc 1 (đường đứt nét) tại các thời điểm khác nhau (0, 30, 60, 100 giờ).
Hình 6 cho thấy sự thay đổi về đường kính hạt và độ xốp của vùng nguyên liệu thô của hai cấu trúc. Hình vẽ cho thấy đường kính nguyên liệu thô giảm và độ xốp tăng gần thành nồi nấu kim loại, độ xốp ở cạnh tiếp tục tăng và đường kính hạt tiếp tục giảm khi quá trình tăng trưởng diễn ra. Độ xốp cạnh tối đa là khoảng 0,99 sau 100 giờ và đường kính hạt tối thiểu là khoảng 300 μm. Đường kính hạt tăng và độ xốp giảm ở bề mặt trên của nguyên liệu thô, tương ứng với quá trình kết tinh lại. Độ dày của vùng tái kết tinh tăng lên khi quá trình tăng trưởng diễn ra, kích thước hạt và độ xốp tiếp tục thay đổi. Đường kính hạt tối đa đạt hơn 1500 μm và độ xốp tối thiểu là 0,13. Ngoài ra, do PG làm tăng nhiệt độ của vùng nguyên liệu thô và độ bão hòa khí nhỏ nên độ dày kết tinh lại của phần trên của nguyên liệu thô của cấu trúc 1 nhỏ, giúp cải thiện tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô.
Hình 6 Sự thay đổi đường kính hạt (trái) và độ xốp (phải) của vùng nguyên liệu cấu trúc 0 và cấu trúc 1 tại các thời điểm khác nhau, đơn vị đường kính hạt: μm
Hình 7 cho thấy cấu trúc 0 cong vênh khi bắt đầu phát triển, điều này có thể liên quan đến tốc độ dòng nguyên liệu quá mức gây ra bởi quá trình than chì hóa ở cạnh nguyên liệu thô. Mức độ cong vênh bị suy yếu trong quá trình tăng trưởng tiếp theo, tương ứng với sự thay đổi tốc độ dòng vật liệu ở phía trước sự phát triển tinh thể của cấu trúc 0 trong Hình 4 (d). Ở cấu trúc 1, do tác dụng của PG nên mặt phân cách tinh thể không bị cong vênh. Ngoài ra, PG còn khiến tốc độ tăng trưởng của cấu trúc 1 thấp hơn đáng kể so với cấu trúc 0. Độ dày tâm của tinh thể cấu trúc 1 sau 100 giờ chỉ bằng 68% so với cấu trúc 0.
Hình 7 Sự thay đổi bề mặt của tinh thể cấu trúc 0 và cấu trúc 1 ở 30, 60 và 100 giờ
Sự tăng trưởng tinh thể được thực hiện trong các điều kiện của quá trình mô phỏng số. Các tinh thể phát triển theo cấu trúc 0 và cấu trúc 1 lần lượt được thể hiện trong Hình 8(a) và Hình 8(b). Tinh thể của cấu trúc 0 hiển thị giao diện lõm, với các gợn sóng ở khu vực trung tâm và chuyển pha ở rìa. Độ lồi bề mặt thể hiện mức độ không đồng nhất nhất định trong quá trình vận chuyển vật liệu pha khí và sự xuất hiện của quá trình chuyển pha tương ứng với tỷ lệ C/Si thấp. Giao diện của tinh thể phát triển theo cấu trúc 1 hơi lồi, không tìm thấy sự chuyển pha và độ dày là 65% tinh thể không có PG. Nhìn chung, kết quả tăng trưởng tinh thể tương ứng với kết quả mô phỏng, với chênh lệch nhiệt độ xuyên tâm lớn hơn ở giao diện tinh thể của cấu trúc 1, tốc độ tăng trưởng nhanh ở rìa bị triệt tiêu và tốc độ dòng vật liệu tổng thể chậm hơn. Xu hướng chung phù hợp với kết quả mô phỏng số.
Hình 8 Tinh thể SiC phát triển theo cấu trúc 0 và cấu trúc 1
Phần kết luận
PG có lợi cho việc cải thiện nhiệt độ chung của khu vực nguyên liệu thô và cải thiện tính đồng nhất của nhiệt độ dọc trục và hướng tâm, thúc đẩy quá trình thăng hoa và tận dụng hoàn toàn nguyên liệu thô; chênh lệch nhiệt độ trên và dưới tăng lên và độ dốc xuyên tâm của bề mặt tinh thể hạt tăng lên, giúp duy trì sự phát triển của giao diện lồi. Về mặt truyền khối, việc đưa PG làm giảm tốc độ truyền khối tổng thể, tốc độ dòng nguyên liệu trong buồng tăng trưởng chứa PG thay đổi ít hơn theo thời gian và toàn bộ quá trình tăng trưởng ổn định hơn. Đồng thời, PG cũng ức chế hiệu quả sự xuất hiện của sự chuyển khối quá mức ở cạnh. Ngoài ra, PG còn làm tăng tỷ lệ C/Si của môi trường sinh trưởng, đặc biệt là ở rìa trước của bề mặt tinh thể hạt, giúp giảm hiện tượng chuyển pha trong quá trình sinh trưởng. Đồng thời, tác dụng cách nhiệt của PG làm giảm sự kết tinh lại ở phần trên của nguyên liệu thô ở một mức độ nhất định. Đối với sự phát triển của tinh thể, PG làm chậm tốc độ phát triển của tinh thể, nhưng bề mặt phát triển lồi hơn. Vì vậy, PG là phương tiện hữu hiệu để cải thiện môi trường phát triển của tinh thể SiC và tối ưu hóa chất lượng tinh thể.
Thời gian đăng: 18/06/2024