ባለ ቀዳዳ ግራፋይት በሲሊኮን ካርቦይድ ክሪስታል እድገት ላይ ስላለው ተጽእኖ የቁጥር ማስመሰል ጥናት

መሰረታዊው ሂደት፡-ሲሲየክሪስታል እድገት በከፍተኛ ሙቀት ውስጥ ጥሬ ዕቃዎችን ወደ ንዑስ መበታተን እና መበታተን፣ በሙቀት ቅልመት ተግባር ስር የጋዝ ደረጃ ንጥረ ነገሮችን ማጓጓዝ እና በዘር ክሪስታል ላይ የጋዝ ደረጃ ንጥረ ነገሮችን እንደገና የማደራጀት እድገትን ወደ መከፋፈል ይከፈላል። በዚህ ላይ በመመስረት የክሩሲብል ውስጠኛ ክፍል በሦስት ክፍሎች የተከፈለ ነው፡ ጥሬ እቃ ስፋት፣ የእድገት ክፍል እና የዘር ክሪስታል። በእውነተኛው የመቋቋም አቅም ላይ በመመስረት የቁጥር ማስመሰል ሞዴል ተሳሏል።ሲሲነጠላ ክሪስታል የእድገት መሳሪያዎች (ምስል 1 ይመልከቱ)። በስሌቱ ውስጥ፡ የታችኛው ክፍልክሩሲብልከጎን ማሞቂያው ግርጌ 90 ሚሜ ርቀት ላይ ነው፣ የክሩሲብል የላይኛው የሙቀት መጠን 2100 ℃ ነው፣ የጥሬ እቃ ቅንጣት ዲያሜትር 1000 μm ነው፣ ቀዳዳው 0.6 ነው፣ የእድገት ግፊቱ 300 ፓ ነው፣ እና የእድገት ጊዜው 100 ሰዓት ነው። የPG ውፍረት 5 ሚሜ ነው፣ ዲያሜትሩ ከክሩሲብል ውስጣዊ ዲያሜትር ጋር እኩል ነው፣ እና ከጥሬ እቃው 30 ሚሜ በላይ ይገኛል። የጥሬ እቃው ዞን የንዑስ-ማስገባት፣ የካርቦኔዜሽን እና የድጋሚ-ማስገባት ሂደቶች በስሌቱ ውስጥ ግምት ውስጥ ይገባሉ፣ እና በPG እና በጋዝ ደረጃ ንጥረ ነገሮች መካከል ያለው ምላሽ ግምት ውስጥ አይገባም። ከስሌቱ ጋር የተያያዙ አካላዊ ባህሪያት መለኪያዎች በሰንጠረዥ 1 ውስጥ ይታያሉ።

ምስል 1 የማስመሰል ስሌት ሞዴል። (ሀ) ለክሪስታል እድገት ማስመሰል የሙቀት መስክ ሞዴል፤ (ለ) የክሩሲብል እና ተዛማጅ አካላዊ ችግሮች ውስጣዊ ክፍል መከፋፈል

ሠንጠረዥ 1 በስሌቱ ውስጥ ጥቅም ላይ የዋሉ አንዳንድ አካላዊ መለኪያዎች

ምስል 2(ሀ) እንደሚያሳየው የPG-የያዘው መዋቅር (እንደ መዋቅር 1 የተገለጸው) የሙቀት መጠን ከPG-ነጻ መዋቅር (እንደ መዋቅር 0 የተገለጸው) ከPG በታች እና ከPG በላይ ካለው መዋቅር 0 ያነሰ ነው። አጠቃላይ የሙቀት መጠን ይጨምራል፣ እና PG እንደ ሙቀት-መከላከያ ወኪል ሆኖ ያገለግላል። በምስል 2(ለ) እና 2(ሐ) መሠረት፣ በጥሬ ቁሳቁስ ዞን ውስጥ ያለው መዋቅር 1 የዘይብ እና ራዲያል የሙቀት ቅልመቶች ያነሱ ናቸው፣ የሙቀት ስርጭቱ የበለጠ ወጥ ነው፣ እና የቁሱ ንዑስ ክፍልፋዮች የበለጠ የተሟላ ናቸው። ከጥሬ ቁሳቁስ ዞን በተለየ መልኩ፣ ምስል 2(ሐ) የሚያሳየው በመዋቅር 1 የዘር ክሪስታል ላይ ያለው የራዲያል የሙቀት ቅልመቶች ትልቅ መሆናቸውን ያሳያል፣ ይህም በተለያዩ የሙቀት ማስተላለፊያ ሁነታዎች የተለያዩ መጠኖች ምክንያት ሊሆን ይችላል፣ ይህም ክሪስታሉ በኮንቬክስ በይነገጽ እንዲያድግ ይረዳል። በምስል 2(መ)፣ በክሩሲብል ውስጥ በተለያዩ ቦታዎች ላይ ያለው የሙቀት መጠን እድገቱ እየጨመረ ሲሄድ እየጨመረ የሚሄድ አዝማሚያ ያሳያል፣ ነገር ግን በመዋቅር 0 እና በመዋቅር 1 መካከል ያለው የሙቀት ልዩነት በጥሬ ቁሳቁስ ዞን ቀስ በቀስ እየቀነሰ እና በእድገት ክፍል ውስጥ ቀስ በቀስ ይጨምራል።

ምስል 2 የሙቀት ስርጭት እና በክሩሲብል ውስጥ የሚደረጉ ለውጦች። (ሀ) በ0 ሰዓት፣ አሃድ፡ ℃፣ መዋቅር 0 (ግራ) እና መዋቅር 1 (ቀኝ) መካከል ባለው የመስቀለኛ ክፍል ውስጥ ያለው የሙቀት ስርጭት፤ (ለ) ከጥሬ እቃው ግርጌ እስከ የዘር ክሪስታል በ0 ሰዓት፣ መዋቅር 0 እና መዋቅር 1 መካከል ባለው የመስቀለኛ ክፍል መሃል ላይ ያለው የሙቀት ስርጭት፤ (ሐ) በ0 ሰዓት፣ በዘር ክሪስታል ወለል (A) እና በጥሬ እቃው ወለል (B)፣ መካከለኛ (C) እና ታች (D) ላይ ካለው የመቁረጫ ክፍል መሃል እስከ የመስቀለኛ ክፍል ጠርዝ ድረስ ያለው የሙቀት ስርጭት፣ አግድም ዘንግ r ለA የዘር ክሪስታል ራዲየስ ሲሆን ለB~D ደግሞ ጥሬ እቃው ስፋት ራዲየስ ነው፤ (መ) በላይኛው ክፍል (A) መሃል ላይ ያለው የሙቀት መጠን፣ ጥሬ እቃው ወለል (B) እና መካከለኛ (C) በመዋቅር 0 እና መዋቅር 1 የእድገት ክፍል መሃል ላይ ያለው የሙቀት መጠን በ0፣ 30፣ 60 እና 100 ሰዓት ላይ ይለዋወጣል።

ምስል 3 በቅርጽ 0 እና መዋቅር 1 ክሩሲብል ውስጥ በተለያዩ ጊዜያት የቁሳቁስ መጓጓዣን ያሳያል። በጥሬ እቃው አካባቢ እና በእድገት ክፍል ውስጥ ያለው የጋዝ ደረጃ ቁስ ፍሰት መጠን ከቦታው መጨመር ጋር ይጨምራል፣ እና እድገቱ እየገፋ ሲሄድ የቁሳቁስ መጓጓዣው ይዳከማል። ምስል 3 በተጨማሪም በማስመሰል ሁኔታዎች ስር ጥሬ እቃው መጀመሪያ በክሩሲብል የጎን ግድግዳ ላይ እና ከዚያም በክሩሲብል ግርጌ ላይ ግራፊቲዝ ያደርጋል። በተጨማሪም፣ በጥሬ እቃው ወለል ላይ እንደገና መቆፈር አለ እና እድገቱ እየገፋ ሲሄድ ቀስ በቀስ ይወፍራል። ምስሎች 4(a) እና 4(b) እንደሚያሳዩት በጥሬ እቃው ውስጥ ያለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን እድገቱ እየገፋ ሲሄድ ይቀንሳል፣ እና በ100 ሰዓት ውስጥ ያለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ከመጀመሪያው ቅጽበት 50% ያህል ነው፤ ሆኖም ግን፣ የፍሰት መጠኑ በጥሬ እቃው ግራፍቲዝዜሽን ምክንያት በጠርዙ ላይ በአንጻራዊ ሁኔታ ትልቅ ነው፣ እና በጠርዙ ላይ ያለው የፍሰት መጠን በ100 ሰዓት መካከለኛ አካባቢ ካለው የፍሰት መጠን ከ10 እጥፍ በላይ ነው። በተጨማሪም፣ በግንባታ 1 ውስጥ ያለው የፒጂ ተጽዕኖ በመዋቅር 1 ውስጥ ባለው ጥሬ ቁሳቁስ አካባቢ ውስጥ ያለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ከመዋቅር 0 ያነሰ ያደርገዋል። በምስል 4(ሐ)፣ በጥሬ እቃው አካባቢ እና በእድገት ክፍሉ ውስጥ ያለው የቁሳቁስ ፍሰት እድገቱ እየገፋ ሲሄድ ቀስ በቀስ ይዳከማል፣ እና በጥሬ እቃው አካባቢ ያለው የቁሳቁስ ፍሰት መቀነስ ይቀጥላል፣ ይህም የሚከሰተው በክሩሲብል ጠርዝ ላይ ባለው የአየር ፍሰት ቻናል መከፈት እና ከላይ ባለው እንደገና መቆለፍ መዘጋት ምክንያት ነው፤ በእድገት ክፍሉ ውስጥ፣ የመዋቅር 0 የቁሳቁስ ፍሰት መጠን በመጀመሪያዎቹ 30 ሰዓታት ውስጥ ወደ 16% በፍጥነት ይቀንሳል፣ እና በሚቀጥለው ጊዜ በ3% ብቻ ይቀንሳል፣ መዋቅር 1 በእድገት ሂደቱ ውስጥ በአንፃራዊነት የተረጋጋ ሆኖ ይቆያል። ስለዚህ፣ ፒጂ በእድገት ክፍሉ ውስጥ ያለውን የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ለማረጋጋት ይረዳል። ምስል 4(መ) በክሪስታል እድገት ግንባር ላይ ያለውን የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ያወዳድራል። በመጀመሪያው ቅጽበት እና በ100 ሰዓት፣ በህንፃ 0 የእድገት ዞን ውስጥ ያለው የቁሳቁስ መጓጓዣ ከቅርጽ 1 የበለጠ ጠንካራ ነው፣ ነገር ግን ሁልጊዜ በመዋቅር 0 ጠርዝ ላይ ከፍተኛ የፍሰት መጠን ያለው ቦታ አለ፣ ይህም በጠርዙ ላይ ከመጠን በላይ እድገት ያስከትላል። በመዋቅር 1 ውስጥ የPG መኖር ይህንን ክስተት በብቃት ያደናቅፈዋል።

ምስል 3 በክሩሲብል ውስጥ የቁሳቁስ ፍሰት። የጋዝ ቁሳቁስ ማጓጓዣ መስመሮች (ግራ) እና የፍጥነት ቬክተሮች (በስተቀኝ) በተለያዩ ጊዜያት በህንፃዎች 0 እና 1 ውስጥ፣ የፍጥነት ቬክተር አሃድ፡ m/s

ምስል 4 የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ለውጦች። (ሀ) በ0፣ 30፣ 60 እና 100 ሰዓት፣ r ውስጥ ባለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ስርጭት መካከል ባለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ስርጭት ላይ የሚደረጉ ለውጦች የጥሬ እቃው አካባቢ ራዲየስ ነው፤ (ለ) በ0፣ 30፣ 60 እና 100 ሰዓት፣ r ውስጥ ባለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ስርጭት መካከል ባለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ስርጭት ላይ የሚደረጉ ለውጦች የጥሬ እቃው አካባቢ ራዲየስ ነው፤ (ሐ) በእድገት ክፍል (A፣ B) ውስጥ እና በጊዜ ሂደት በ0 እና 1 መዋቅሮች ጥሬ እቃ (C፣ D) ውስጥ ባለው የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ላይ የሚደረጉ ለውጦች፤ (መ) በ0 እና 100 ሰዓት፣ r ውስጥ ባሉት የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ስርጭቶች አጠገብ ባሉ የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ስርጭቶች የዘር ክሪስታል ራዲየስ ነው

ሲ/ሲ የSiC ክሪስታል እድገትን የክሪስታል መረጋጋት እና የጉድለት ጥግግት ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል። ምስል 5(a) የሁለቱን መዋቅሮች የC/Si ጥምርታ ስርጭት በመጀመሪያው ቅጽበት ያወዳድራል። የC/Si ጥምርታ ከታች ወደ ክሩሲብል አናት ቀስ በቀስ ይቀንሳል፣ እና የመዋቅር 1 የC/Si ጥምርታ ሁልጊዜ በተለያዩ ቦታዎች ላይ ካለው መዋቅር 0 ከፍ ያለ ነው። ምስሎች 5(b) እና 5(c) እንደሚያሳዩት የC/Si ጥምርታ በእድገት ቀስ በቀስ ይጨምራል፣ ይህም በኋለኛው የእድገት ደረጃ ላይ ካለው የውስጥ ሙቀት መጨመር፣ የጥሬ እቃ ግራፊታይዜሽን መሻሻል እና በጋዝ ደረጃ ውስጥ ካለው የSi ክፍሎች ምላሽ ጋር የተያያዘ ነው። በስእል 5(d)፣ የመዋቅር 0 እና የመዋቅር 1 የC/Si ጥምርታዎች ከPG (0፣ 25 ሚሜ) በታች በጣም የተለያዩ ናቸው፣ ነገር ግን ከPG (50 ሚሜ) በላይ ትንሽ ይለያያሉ፣ እና ወደ ክሪስታል ሲቃረብ ልዩነቱ ቀስ በቀስ ይጨምራል። በአጠቃላይ፣ የመዋቅር 1 የC/Si ጥምርታ ከፍ ያለ ነው፣ ይህም የክሪስታል ቅርፅን ለማረጋጋት እና የደረጃ ሽግግር እድልን ለመቀነስ ይረዳል።

ምስል 5 የC/Si ጥምርታ ስርጭት እና ለውጦች። (ሀ) በ0 ሰዓት በ0 ሰዓት በቅርጽ 0 (ግራ) እና መዋቅር 1 (ቀኝ) ክሪችሎች ውስጥ የC/Si ጥምርታ ስርጭት፤ (ለ) በተለያዩ ጊዜያት ከቅርጽ 0 ክሪችብል መሃል መስመር በተለያዩ ርቀት ላይ የC/Si ጥምርታ፤ (ሐ) ከቅርጽ 1 ክሪችብል መሃል መስመር በተለያዩ ርቀት ላይ የC/Si ጥምርታ፤ (መ) በተለያዩ ጊዜያት (0፣ 30፣ 60፣ 100 ሰዓት) የC/Si ጥምርታ፤ (መ) በተለያዩ ጊዜያት (0፣ 30፣ 60፣ 100 ሰዓት) የC/Si ጥምርታ በተለያዩ ርቀት (0፣ 25፣ 50፣ 75፣ 100 ሚሜ) የክሪችብል ማዕከላዊ መስመርን ማወዳደር።

ምስል 6 የሁለቱ መዋቅሮች የጥሬ ዕቃዎች ክልሎች የቅንጣት ዲያሜትር እና ቀዳዳ ለውጦችን ያሳያል። ምስሉ እንደሚያሳየው የጥሬ ዕቃ ዲያሜትር እየቀነሰ እና ቀዳዳው በክሩሲብል ግድግዳ አቅራቢያ ይጨምራል፣ እና የጠርዙ ቀዳዳ መጨመር ይቀጥላል እና የቅንጣቱ ዲያሜትር እድገቱ እየገፋ ሲሄድ እየቀነሰ ይሄዳል። ከፍተኛው የጠርዝ ቀዳዳ በ100 ሰዓት 0.99 አካባቢ ነው፣ እና ዝቅተኛው የቅንጣት ዲያሜትር ወደ 300 μm አካባቢ ነው። የቅንጣቱ ዲያሜትር ይጨምራል እና ቀዳዳው በጥሬ ዕቃው የላይኛው ገጽ ላይ ይቀንሳል፣ ይህም ከድጋሚ ማስነሳት ጋር ይዛመዳል። የዳግም ማስጀመሪያ ቦታው ውፍረት እድገቱ እየገፋ ሲሄድ ይጨምራል፣ እና የቅንጣቱ መጠን እና ቀዳዳው መቀየሩን ይቀጥላል። ከፍተኛው የቅንጣት ዲያሜትር ከ1500 μm በላይ ይደርሳል፣ እና ዝቅተኛው ቀዳዳ 0.13 ነው። በተጨማሪም፣ PG የጥሬ ዕቃውን አካባቢ የሙቀት መጠን ስለሚጨምር እና የጋዝ ሱፐርሳቹሬሽን ትንሽ ስለሆነ፣ የህንፃ 1 ጥሬ ዕቃ የላይኛው ክፍል የመልሶ ማስጀመሪያ ውፍረት ትንሽ ነው፣ ይህም የጥሬ ዕቃ አጠቃቀም መጠንን ያሻሽላል።

ምስል 6 በተለያዩ ጊዜያት የቁሳቁስ 0 እና መዋቅር 1 የጥሬ እቃ ስፋት (ግራ) እና የክፍተት (ቀኝ) ለውጦች፣ የቁሳቁስ ዲያሜትር አሃድ፡ μm

ምስል 7 እንደሚያሳየው መዋቅር 0 በእድገት መጀመሪያ ላይ እንደሚንሸራሸር ያሳያል፣ ይህም በጥሬ እቃ ጠርዝ ግራፋይታይዜሽን ምክንያት ከሚፈጠረው ከመጠን በላይ የቁስ ፍሰት መጠን ጋር የተያያዘ ሊሆን ይችላል። የመንሸራተቻው ደረጃ በቀጣዩ የእድገት ሂደት ውስጥ ይዳከማል፣ ይህም በምስል 4 (መ) ውስጥ ባለው የክሪስታል እድገት ፊት ለፊት ካለው የቁስ ፍሰት መጠን ለውጥ ጋር ይዛመዳል። በመዋቅር 1 ውስጥ፣ በPG ውጤት ምክንያት፣ የክሪስታል በይነገጽ መወዛወዝ አያሳይም። በተጨማሪም፣ PG የመዋቅር 1 የእድገት መጠን ከመዋቅር 0 በእጅጉ ያነሰ ያደርገዋል። ከ100 ሰዓታት በኋላ የመዋቅር 1 ክሪስታል የመሃል ውፍረት ከመዋቅር 0 68% ብቻ ነው።

ምስል 7 በ30፣ 60 እና 100 ሰዓታት ውስጥ የመዋቅር 0 እና የመዋቅር 1 ክሪስታሎች በይነገጽ ለውጦች

የክሪስታል እድገት የተከናወነው በቁጥር ማስመሰል ሂደት ሁኔታዎች ስር ነው። በቅርጽ 0 እና መዋቅር 1 የሚበቅሉት ክሪስታሎች በቅደም ተከተል በምስል 8(a) እና በምስል 8(b) ይታያሉ። የመዋቅር 0 ክሪስታል ሾጣጣ በይነገጽ ያሳያል፣ በማዕከላዊው አካባቢ ዘንጎች እና በጠርዙ ላይ የደረጃ ሽግግር አለው። የገጽታ ኮንቬክሲቲው የጋዝ-ደረጃ ቁሳቁሶችን በማጓጓዝ የተወሰነ ደረጃ አለመመጣጠንን ይወክላል፣ እና የደረጃ ሽግግር መከሰት ከዝቅተኛው የC/Si ጥምርታ ጋር ይዛመዳል። በመዋቅር 1 የሚበቅለው የክሪስታል በይነገጽ በትንሹ ሾጣጣ ነው፣ የደረጃ ሽግግር አልተገኘም፣ እና ውፍረቱ PG ከሌለው የክሪስታል 65% ነው። በአጠቃላይ፣ የክሪስታል እድገት ውጤቶች ከስዕላዊ መግለጫው ውጤቶች ጋር ይዛመዳሉ፣ በመዋቅር 1 ክሪስታል በይነገጽ ላይ ትልቅ የራዲያል የሙቀት ልዩነት ሲኖር፣ በጠርዙ ላይ ያለው ፈጣን እድገት ይጨናገፋል፣ እና አጠቃላይ የቁሳቁስ ፍሰት መጠን ቀርፋፋ ነው። አጠቃላይ አዝማሚያው ከቁጥር ማስመሰል ውጤቶች ጋር የሚጣጣም ነው።

ምስል 8 በቅርጽ 0 እና መዋቅር 1 ስር የሚበቅሉ የSiC ክሪስታሎች

መደምደሚያ

PG የጥሬ እቃው አጠቃላይ የሙቀት መጠን እንዲሻሻል እና የአክሲያል እና ራዲያል የሙቀት መጠን ወጥነት እንዲሻሻል ምቹ ነው፣ ይህም የጥሬ እቃውን ሙሉ በሙሉ ወደታች እንዲገባ እና ጥቅም ላይ እንዲውል ያበረታታል፤ የላይኛው እና የታችኛው የሙቀት ልዩነት ይጨምራል፣ እና የዘር ክሪስታል ወለል ራዲያል ቅልመት ይጨምራል፣ ይህም የኮንቬክስ በይነገጽ እድገትን ለመጠበቅ ይረዳል። በጅምላ ዝውውር ረገድ፣ የPG መግቢያ አጠቃላይ የጅምላ ዝውውር ፍጥነትን ይቀንሳል፣ PGን በያዘው የእድገት ክፍል ውስጥ ያለው የቁስ ፍሰት መጠን ከጊዜ ወደ ጊዜ እየቀነሰ ይሄዳል፣ እና አጠቃላይ የእድገት ሂደቱ የበለጠ የተረጋጋ ይሆናል። በተመሳሳይ ጊዜ፣ PG ከመጠን በላይ የጠርዝ ብዛት ዝውውር እንዳይከሰት ውጤታማ በሆነ መንገድ ይከላከላል። በተጨማሪም፣ PG የእድገት አካባቢን የC/Si ጥምርታ ይጨምራል፣ በተለይም በዘር ክሪስታል በይነገጽ የፊት ጠርዝ ላይ፣ ይህም በእድገት ሂደት ወቅት የደረጃ ለውጥ መከሰትን ለመቀነስ ይረዳል። በተመሳሳይ ጊዜ፣ የPG የሙቀት መከላከያ ውጤት በጥሬ እቃው የላይኛው ክፍል ላይ እንደገና የማደስ እድልን በተወሰነ ደረጃ ይቀንሳል። ለክሪስታል እድገት፣ PG የክሪስታል እድገት መጠንን ያዘገያል፣ ነገር ግን የእድገት በይነገጽ የበለጠ ሾጣጣ ነው። ስለዚህ፣ PG የSiC ክሪስታሎችን የእድገት አካባቢ ለማሻሻል እና የክሪስታል ጥራትን ለማሻሻል ውጤታማ ዘዴ ነው።