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6.1晶体生长基本过程
6.2晶体生长的热量输运
6.3晶体生长的质量输运
6.4晶体生长与相平衡关系;6.1晶体生长过程;据热力学计算,当胚芽半径r大于晶核临界尺寸r0时,就可以稳定的继续长大,不会自行消失。因为当r>>r0时,胚芽的自由能△F的改变就明显降低,且胚芽越大△F越小。;
据均匀成核理论计算,水汽凝华的临界饱和比为4.4,水凝固的临界过冷度为40℃,某些金属凝固的临界过冷度达100~110℃。
实际上,成核的过冷度和过饱和度并不需要那么大。因为在通常的生长系统中总是存在不均匀的部位(如容器壁、外来的微粒等),它有效降低了成核时的表面位垒,使晶核优先在这些不均匀部位形成。
例如:人工降雨就是在饱和比不大又不能均匀成核的云层中,撒入碘化银细小微粒,就能形成雨滴。;在区熔法制备单晶的过程中,固液界面的形状对杂散晶核的形成产生一定的影响。;6.1.2晶体生长过程和形状;(1)过饱和度的影响:
溶液过饱和的超过某一临界值时,晶体的形态就会发生变化
(2)PH值的影响:
生长磷酸二氢胺时,PH↓,晶体细长,PH↑,晶体短粗
(3)杂质的影响:
晶面吸附杂质后单位表面能发生变化,使晶体法向生长速度发生变化,从而引起晶体形态的变化;6.1.3完整晶面生长;面网密度对质点引力的关系;完整晶面生长模型成功解释了晶核存在条件下,质点布满整个晶面的过程。若晶体要继续生长,需在完整晶面晶面上形成一个新的二维晶核做台阶源,然后质点沿其布满整个晶体。因此,新的二维晶核形成的难易决定了晶体生长速度。
通过对气相生长的观察,发现晶体表面常可见到涡旋状的生长图像,用准晶面生长即螺旋位错模型可以解释这种现象。;6.2晶体生长的热量输运;二、热损耗和稳定温度
单位时间内向环境传输的热量称为热损耗。
热损耗的大小取决于发热体和环境温度间的差值:正比。即:炉温↑,发热体和环境温度差值↑,热损耗↑。
发热体所能达到的最高温度通常与加热功率成正比。
当热损耗的大小与加热功率相等时,炉内热量交换达到平衡,发???体的温度不再随时间而变化,为稳定温度。
为提高发热体可能达到的稳定温度,须尽量减小热损耗。方法:在发热体和环境之间放置保温层。;熔化潜热10瓦;当炉膛内热交换达到平衡,且发热体的加热功率和各种热损耗都保持不变时,炉膛内各点都有一个不随时间变化的确定温度,这种温度的空间分布称为温场。
保持合适的温场是获得高质量晶体的前提条件。
温度相同点连成的曲线称等温线;
温度相同点连成的曲面称等温面。等温线永不相交;等温面永不相交。;ω=0r/min;温度为凝固点的等温面是固体和液体的分界面,称固液界面。
提拉法生长晶体过程中,固液界面的形状除受晶体的提拉速度、旋转速度和晶体尺寸等因素影响外,主要取决于界面处热量输运情况。一般会形成凹形、凸形、和平坦形三种。;晶体质量;6.2.2液流效应
液流效应亦称流体效应,即流体运动状态对晶体生长的影响。;0转/分;在固体-流体系统中,靠近固体表面的一个极薄液体层内,溶质的浓度、速度、温度均有较大变化,该薄层称为边界层。
1.速度边界层;2.溶质浓度边界层;3.温度边界层;6.3.1分凝系数
在晶体生长过程中,固相、液相中的溶质平衡浓度Cs和CL可能不同,其比值K0为常数:
K0=Cs/CL
;液相线;平衡分凝系数K0是在无自然对流、无机械搅拌的理想状态下溶质的分凝系数。为表达实际生长过程中溶质的分布,引入有效分凝系数K有效:
K有效=K0/K+(1-K0)exp(-Vδc/D)
对确定组成的溶液(熔体),K0为常数,K有效与晶体生长速度V、溶质在溶液中的扩散系数D以及溶质边界层厚度δc有关。
Cs=K有效·CL
近理想态准静止生长过程中,V→0,生长速度无限缓慢,K有效→K0;稳定边界层建立后,δc→∞,K有效→1,溶质输运仅以扩散形式,而实况介于两者之间,即K有效介于K0和1之间;6.3.2溶质分布的均匀化;2.溶液稀释法;3.溶液补充法;R1;6.3.3生长层
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