固液界面形貌及其转变

凝固时的固液界面通常为平面、胞状、枝晶状。在某些条件下结晶,会形成双胞结构、三胞结构、倾斜枝晶、密集分枝和退化枝晶等不规则界面。本文介绍了不规则界面的形貌特征,讨论了界面能各向异性、压力和温度对界面形貌的影响以及规则界面与不规则界面的相互转变等问题。当晶体沿着某些特定位向生长时,界面能接近于各向同性,晶体以密集分枝方式生长;当界面能各向异性时,大多数晶体以规则枝晶方式生长。在VF工艺中,低压下得到密集分枝界面;压力增加,界面以枝晶方式生长;压力进一步增加,重新得到密集分枝界面。     

Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷定向凝固过程固液界面形貌的研究

采用有限元法计算模拟了Al2 O3/MgAl2 O4共晶陶瓷区域熔炼定向凝固过程固液界面形貌的演变,研究了熔区坩埚壁面温度、凝固速率对固液界面形貌的影响.结果表明,当熔区坩埚壁面温度从2090℃升至2290℃时,固液界面先由凸界面转为平界面,再转变为凹界面;固液界面前沿的温度梯度随之增大.当凝固速率从1×10-6 m/s升至1 x10-5s时,固液界面形貌无明显变化,而熔区长度有所增大.随着凝固过程的进行,熔区长度逐渐增大,凸固液界面的凸出高度逐渐变小.     

定向凝固过程中的不规则固液界面形貌

固液界面通常为规则界面, 但有时为不规则界面,如倾斜枝晶、退化枝晶和海藻状晶体界面.以琥珀腈为研究对象,用设计的定向凝固实验体系, 研究了不同温度梯度和界面生长速度对固液界面形貌的影响.实验结果表明:界面生长速度一定时,增加温度梯度界面由倾斜枝晶逐渐转变为退化枝晶,最终成为海藻状晶体;温度梯度一定时,降低界面生长速度界面会发生类似的变化.温度梯度和界面生长条件在一定范围内变化时,界面可以从一种生长方式变为另一种方式,如可以从海藻状晶体连续地变为倾斜枝晶.在某些条件下,海藻状晶体和倾斜枝晶可能同时出现在界面上,并竞相生长.退化枝晶界面处于动态变化中,二次枝晶臂不断地改变着生长方向.     

液面位置对Ф300mm硅单晶固液界面形状影响的数值计算

数值模拟技术已经成为分析和优化工业化晶体生长工艺必不可少的工具。本文利用有限元分析软件计算了Ф300mm直拉硅单晶生长过程中,不同液面位置时的晶体固液界面形状,模拟计算考虑了热传导、辐射、气流等物理现象,分析了晶体长度和液面位置对晶体生长界面形状的影响,得出了随着晶体长度的增加固液界面的凸度会增大的规律。     

液面位置对φ300mm硅单晶固液界面形状影响的数值计算

数值模拟技术已经成为分析和优化工业化晶体生长工艺必不可少的工具.本文利用有限元分析软件计算了φ300 mm直拉硅单晶生长过程中,不同液面位置时的晶体固液界面形状,模拟计算考虑了热传导、辐射、气流等物理现象,分析了晶体长度和液面位置对晶体生长界面形状的影响,得出了随着晶体长度的增加固液界面的凸度会增大的规律.     

凝固速度对金属基复合材料液-固界面形态选择的影响

液－固界面形态的转变决定着材料内部显微组织的变化,本文采用定向凝固垢方法,研究了凝固速度对金属基复合材料液－固界面形态选择的影响。随着凝固冷却速度的提高,Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－４．５Ｃｕ复合材料液０固界面形态将发生由胞状向树枝状的转变、其胞－枝转变的临界速率实验值是４９．８μｍ／ｓ。     

超导水平磁场结构对φ300mm直拉硅单晶固液界面影响的三维数值模拟

针对不同超导水平磁场结构的磁力线分布对φ300 mm直拉硅单晶固液界面影响问题,本文采用一种基于格子Boltzmann方法的耦合热格子模型,解决温度场与速度场耦合建模问题,并对不同结构的超导磁场作用下的晶体生长进行了三维数值模拟.结果表明,采用单磁力线分布的超导磁场结构使得固液界面氧含量降低,但是容易引起熔体内部热分布不均匀;采用双磁力线分布结构能够有效地改善熔体内部沿晶体生长的轴向温度梯度和沿固液界面的径向温度梯度,然而,其对固液界面氧含量抑制作用较小.当晶转、埚转工艺作用时,超导单磁力线水平磁场结构明显优于超导双磁力线水平磁场结构,固液界面形状对称性随磁感应强度的增加而增强.     

BGO晶体生长固液边界层结构的微区研究

研究了BGO晶体固/液边界层及其两侧晶体和熔体的高温拉曼光谱,分析了BGO晶体生长固/液边界层以及边界层两侧晶体和熔体的结构特征.结果显示,桥氧键Bi-O-Ge和O-Bi-O在晶体和边界层中都存在,而在熔体中消失.说明[GeO4]和[BiO6]结构基团在晶体及边界层中都存在,边界层中的结构已接近晶体结构;但在熔体中[GeO4]结构基团和Bi3+却是两种独立的存在,长程有序的晶体结构消失.并首次报道了BGO晶体固/液边界层的厚度约为50μm.     

多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展

论述了多晶硅晶体生长技术的研究现状,探讨了多晶硅在定向凝固过程中的生长机制,重点阐述了多晶硅定向生长中固-液界面的形貌、杂质分布、数学模型、数值模拟以及外场对界面调控的影响,归纳总结目前国内外多晶硅生长界面的研究现状,展望了多晶硅晶体生长过程中固-液界面调控技术的发展前景.     

硅晶体生长速率与过冷度关系的分子动力学模拟研究

基于Tersoff势函数描述硅原子间的相互作用,运用分子动力学方法模拟研究了不同过冷度条件下硅晶体凝固生长速率.结果发现,在一定过冷度范围内,硅晶体的生长速率随过冷度的增大而呈先快速增大后缓慢减小的趋势,并最终趋于不生长.同时,运用Wilson-Frenkel模型从理论上对硅晶体生长速率与过冷度关系进行了预测,分子动力学模拟结果与Wilson-Frenkel模型预测结果基本吻合,表明了硅晶体沿[100]方向的生长是一种扩散型生长.     

氧化锌单晶的水热生长与结晶习性

本文应用水热生长法,采用双温区高压反应釜,黄金内衬(φ35mm ×2mm),碱性溶液矿化剂,生长出了毫米级的透明氧化锌单晶,最大单晶可达2mm ×3mm ×6mm.所生长氧化锌晶体为纤锌矿型的六方晶体,晶体呈上部锥形的六棱柱体,{10(1-)1}、{10(1-)0}和{000(1-)}面有较大的显露平面.本文中从温差和填充度方面研究了实验条件对ZnO晶体的生长及其形貌的影响,使用黄金内衬前后的结果表明,用贵金属内衬可以有效阻止釜内壁杂质的进入,使晶体完整透明.     

碲锌镉垂直布里奇曼法晶体生长过程固液界面的演化

计算模拟了半导体材料碲锌镉垂直布里奇曼法单晶体生长过程,以等温线图展示了固液界面形状的演化,分析了温度梯度和坩埚移动速率对固液界面形状以及晶体内组分偏析的影响.计算结果表明在凝固的初始段,固液界面的凹陷深度较大,随后有较大幅度的减小.整个凝固过程中固液界面的凹陷深度值有一定的波动性.提高温度梯度、降低坩埚移动速率均能有效地减小固液界面的凹陷,改善晶体的径向组分偏析.     

直拉单晶硅生长时空洞演化的相场模拟

为研究大直径直拉硅生长时空洞的演化规律,建立了与有限元模型所模拟的晶体生长温度场相结合的空洞演化相场模型,并应用该模型模拟研究了空洞形貌及其分布状态的变化过程以及不同初始点缺陷浓度对空洞演化的影响规律.结果表明:直拉硅单晶生长过程中,空洞的演化经历了孕育-形核-长大-稳定四个阶段,其形貌和分布状态亦由孤立的球形向偏聚的串珠形转变;与较低的点缺陷浓度相比,初始点缺陷浓度较高时,空洞的数目、平均尺寸、面积分数普遍较大,孕育阶段缩短、形核和长大阶段延长;空洞的偏聚及合并、长大的现象显著;当温度低于980 K时,大直径的空洞数目不再增加.     

准单晶硅铸锭过程中加热功率及硅料堆积孔隙率对籽晶熔化的影响

本文在考虑硅料的堆积孔隙率和熔化变形等因素的基础上,建立了基于多孔介质的堆积硅料简化模型,对光伏太阳能用准单晶硅铸锭系统的硅料熔化过程进行了数值模拟,研究了不同侧/顶加热器功率比、堆积孔隙率以及加热器总功率对籽晶熔化的影响。研究结果表明:硅料的熔化时间和籽晶的熔化比例取决于侧/顶加热器功率比,降低侧/顶加热器功率比和堆积孔隙率有助于籽晶的有效保留,但会导致籽晶的熔化界面形状发生变化,使杂质在籽晶熔化界面形状为“凹”的区域内聚集,进而影响后续晶体生长的质量;当加热器的总功率低于临界值之后,籽晶的熔化界面形状会在靠近坩埚壁面的边缘区域发生变化,导致不均匀成核的发生,不利于准单晶硅铸锭的生产。在实际工况条件下,可以根据由侧/顶加热器功率比、堆积孔隙率、加热器总功率、籽晶的熔化比例和状态绘制的等值线图对工艺参数进行合理配置。     

加氮对直流电弧等离子体喷射金刚石膜生长、形貌和质量的影响

利用直流等离子体喷射化学气相沉积法制备掺氮的金刚石厚膜.本文研究了在甲烷/氩气/氢气中加入氮气对金刚石膜生长、形貌和质量的影响.反应气体的比例由质量流量计控制,在固定氢气(5000sccm)、氩气(3000sccm)、甲烷(100sccm)流量的情况下改变氮气的流量,即反应气体中氮原子和碳原子的变化比例(N/ C比)范围是从0.06到0.68.同时金刚石膜在固定的腔体压力(4kPa)和衬底温度(800℃)下生长.金刚石膜用扫描电镜(SEM)、拉曼谱和X射线衍射表征.结果表明,氮气在反应气体中的大量加入对直流等离子体喷射制备金刚石膜的形貌、生长速率、晶体取向、成核密度等有非常显著的影响.