Y broses sylfaenol oSiCMae twf crisialau wedi'i rannu'n dyrchafu a dadelfennu deunyddiau crai ar dymheredd uchel, cludo sylweddau cyfnod nwy o dan weithred graddiant tymheredd, ac ailgrisialu twf sylweddau cyfnod nwy wrth y grisial hadau. Yn seiliedig ar hyn, mae tu mewn y croeslin wedi'i rannu'n dair rhan: ardal deunydd crai, siambr twf a grisial hadau. Lluniwyd model efelychu rhifiadol yn seiliedig ar y gwrthiant gwirioneddolSiCoffer twf crisial sengl (gweler Ffigur 1). Yn y cyfrifiad: gwaelod ycroesbren90 mm i ffwrdd o waelod y gwresogydd ochr, tymheredd uchaf y croesbren yw 2100 ℃, diamedr gronynnau'r deunydd crai yw 1000 μm, y mandylledd yw 0.6, y pwysau twf yw 300 Pa, a'r amser twf yw 100 awr. Mae trwch y PG yn 5 mm, mae'r diamedr yn hafal i ddiamedr mewnol y croesbren, ac mae wedi'i leoli 30 mm uwchben y deunydd crai. Ystyrir prosesau dyrchafu, carboneiddio ac ailgrisialu'r parth deunydd crai yn y cyfrifiad, ac ni ystyrir yr adwaith rhwng PG a sylweddau cyfnod nwy. Dangosir y paramedrau priodweddau ffisegol sy'n gysylltiedig â'r cyfrifiad yn Nhabl 1.
Ffigur 1 Model cyfrifo efelychu. (a) Model maes thermol ar gyfer efelychu twf crisial; (b) Rhaniad arwynebedd mewnol y croeslin a phroblemau ffisegol cysylltiedig
Tabl 1 Rhai paramedrau ffisegol a ddefnyddiwyd yn y cyfrifiad
Mae Ffigur 2(a) yn dangos bod tymheredd y strwythur sy'n cynnwys PG (a ddynodir fel strwythur 1) yn uwch na thymheredd y strwythur di-PG (a ddynodir fel strwythur 0) islaw PG, ac yn is na thymheredd strwythur 0 uwchlaw PG. Mae'r graddiant tymheredd cyffredinol yn cynyddu, ac mae PG yn gweithredu fel asiant inswleiddio gwres. Yn ôl Ffigurau 2(b) a 2(c), mae graddiannau tymheredd echelinol a rheiddiol strwythur 1 yn y parth deunydd crai yn llai, mae'r dosbarthiad tymheredd yn fwy unffurf, ac mae dyrchafu'r deunydd yn fwy cyflawn. Yn wahanol i'r parth deunydd crai, mae Ffigur 2(c) yn dangos bod y graddiant tymheredd rheiddiol wrth grisial hadau strwythur 1 yn fwy, a allai fod wedi'i achosi gan y cyfrannau gwahanol o wahanol ddulliau trosglwyddo gwres, sy'n helpu'r grisial i dyfu gyda rhyngwyneb amgrwm. Yn Ffigur 2(d), mae'r tymheredd mewn gwahanol safleoedd yn y croeslin yn dangos tuedd gynyddol wrth i'r twf fynd yn ei flaen, ond mae'r gwahaniaeth tymheredd rhwng strwythur 0 a strwythur 1 yn lleihau'n raddol yn y parth deunydd crai ac yn cynyddu'n raddol yn y siambr dwf.
Ffigur 2 Dosbarthiad tymheredd a newidiadau yn y croeslin. (a) Dosbarthiad tymheredd y tu mewn i groeslin strwythur 0 (chwith) a strwythur 1 (dde) ar 0 awr, uned: ℃; (b) Dosbarthiad tymheredd ar linell ganol y croeslin strwythur 0 a strwythur 1 o waelod y deunydd crai i'r grisial hadau ar 0 awr; (c) Dosbarthiad tymheredd o'r canol i ymyl y croeslin ar wyneb y grisial hadau (A) ac wyneb y deunydd crai (B), canol (C) a gwaelod (D) ar 0 awr, yr echelin lorweddol r yw radiws y grisial hadau ar gyfer A, a radiws arwynebedd y deunydd crai ar gyfer B~D; (d) Newidiadau tymheredd yng nghanol rhan uchaf (A), wyneb deunydd crai (B) a chanol (C) siambr dyfu strwythur 0 a strwythur 1 ar 0, 30, 60, a 100 awr.
Mae Ffigur 3 yn dangos cludo'r deunydd ar wahanol adegau yn y pair strwythur 0 a strwythur 1. Mae cyfradd llif y deunydd cyfnod nwy yn ardal y deunydd crai a'r siambr dwf yn cynyddu gyda chynnydd y safle, ac mae cludo'r deunydd yn gwanhau wrth i'r twf fynd yn ei flaen. Mae Ffigur 3 hefyd yn dangos, o dan yr amodau efelychu, fod y deunydd crai yn graffiteiddio yn gyntaf ar wal ochr y pair ac yna ar waelod y pair. Yn ogystal, mae ailgrisialu ar wyneb y deunydd crai ac mae'n tewhau'n raddol wrth i'r twf fynd yn ei flaen. Mae Ffigurau 4(a) a 4(b) yn dangos bod cyfradd llif y deunydd y tu mewn i'r deunydd crai yn lleihau wrth i'r twf fynd yn ei flaen, ac mae cyfradd llif y deunydd ar 100 awr tua 50% o'r foment gychwynnol; fodd bynnag, mae'r gyfradd llif yn gymharol fawr ar yr ymyl oherwydd graffiteiddio'r deunydd crai, ac mae'r gyfradd llif ar yr ymyl yn fwy na 10 gwaith cyfradd llif y llif yn yr ardal ganol ar 100 awr; yn ogystal, mae effaith PG yn strwythur 1 yn gwneud cyfradd llif y deunydd yn ardal deunydd crai strwythur 1 yn is na chyfradd llif strwythur 0. Yn Ffigur 4(c), mae llif y deunydd yn ardal y deunydd crai a'r siambr dyfu yn gwanhau'n raddol wrth i'r twf fynd yn ei flaen, ac mae llif y deunydd yn ardal y deunydd crai yn parhau i ostwng, a achosir gan agoriad y sianel llif aer ar ymyl y croeslin a rhwystr ailgrisialu ar y brig; yn y siambr dyfu, mae cyfradd llif deunydd strwythur 0 yn gostwng yn gyflym yn y 30 awr gychwynnol i 16%, ac yn gostwng 3% yn unig yn yr amser dilynol, tra bod strwythur 1 yn parhau'n gymharol sefydlog drwy gydol y broses dyfu. Felly, mae PG yn helpu i sefydlogi cyfradd llif y deunydd yn y siambr dyfu. Mae Ffigur 4(d) yn cymharu cyfradd llif y deunydd ar flaen twf y grisial. Ar yr eiliad gychwynnol ac ar ôl 100 awr, mae'r cludiant deunydd ym mharth twf strwythur 0 yn gryfach nag yn strwythur 1, ond mae yna bob amser ardal â chyfradd llif uchel ar ymyl strwythur 0, sy'n arwain at dwf gormodol ar yr ymyl. Mae presenoldeb PG yn strwythur 1 yn atal y ffenomen hon yn effeithiol.
Ffigur 3 Llif deunydd yn y crwsibl. Llifliniau (chwith) a fectorau cyflymder (dde) cludo deunydd nwy mewn strwythurau 0 ac 1 ar wahanol adegau, uned fector cyflymder: m/s
Ffigur 4 Newidiadau yng nghyfradd llif y deunydd. (a) Newidiadau yn nosbarthiad cyfradd llif y deunydd yng nghanol deunydd crai strwythur 0 ar 0, 30, 60, a 100 awr, r yw radiws ardal y deunydd crai; (b) Newidiadau yn nosbarthiad cyfradd llif y deunydd yng nghanol deunydd crai strwythur 1 ar 0, 30, 60, a 100 awr, r yw radiws ardal y deunydd crai; (c) Newidiadau yng nghyfradd llif y deunydd y tu mewn i'r siambr dyfu (A, B) a thu mewn i'r deunydd crai (C, D) o strwythurau 0 ac 1 dros amser; (d) Dosbarthiad cyfradd llif y deunydd ger wyneb grisial hadau strwythurau 0 ac 1 ar 0 a 100 awr, r yw radiws y grisial hadau
Mae C/Si yn effeithio ar sefydlogrwydd crisialog a dwysedd diffygion twf crisial SiC. Mae Ffigur 5(a) yn cymharu dosbarthiad cymhareb C/Si y ddau strwythur ar yr eiliad gychwynnol. Mae'r gymhareb C/Si yn gostwng yn raddol o waelod i ben y croeslin, ac mae cymhareb C/Si strwythur 1 bob amser yn uwch na chymhareb strwythur 0 mewn gwahanol safleoedd. Mae Ffigurau 5(b) a 5(c) yn dangos bod y gymhareb C/Si yn cynyddu'n raddol gyda thwf, sy'n gysylltiedig â'r cynnydd mewn tymheredd mewnol yng nghyfnod diweddarach y twf, gwelliant graffiteiddio deunydd crai, ac adwaith cydrannau Si yn y cyfnod nwy gyda'r croeslin graffit. Yn Ffigur 5(d), mae cymhareb C/Si strwythur 0 a strwythur 1 yn eithaf gwahanol islaw PG (0, 25 mm), ond ychydig yn wahanol uwchlaw PG (50 mm), ac mae'r gwahaniaeth yn cynyddu'n raddol wrth iddo agosáu at y grisial. Yn gyffredinol, mae cymhareb C/Si strwythur 1 yn uwch, sy'n helpu i sefydlogi ffurf y grisial a lleihau'r tebygolrwydd o drawsnewid cyfnod.
Ffigur 5 Dosbarthiad a newidiadau yn y gymhareb C/Si. (a) Dosbarthiad y gymhareb C/Si mewn croesliniau strwythur 0 (chwith) a strwythur 1 (dde) ar 0 awr; (b) Cymhareb C/Si ar wahanol bellteroedd o linell ganol croeslin strwythur 0 ar wahanol adegau (0, 30, 60, 100 awr); (c) Cymhareb C/Si ar wahanol bellteroedd o linell ganol croeslin strwythur 1 ar wahanol adegau (0, 30, 60, 100 awr); (d) Cymhariaeth o'r gymhareb C/Si ar wahanol bellteroedd (0, 25, 50, 75, 100 mm) o linell ganol croeslin strwythur 0 (llinell solet) a strwythur 1 (llinell doredig) ar wahanol adegau (0, 30, 60, 100 awr).
Mae Ffigur 6 yn dangos y newidiadau mewn diamedr gronynnau a mandylledd rhanbarthau deunydd crai'r ddau strwythur. Mae'r ffigur yn dangos bod diamedr y deunydd crai yn lleihau a bod y mandylledd yn cynyddu ger wal y croeslin, ac mae mandylledd yr ymyl yn parhau i gynyddu a diamedr y gronynnau yn parhau i leihau wrth i'r twf fynd yn ei flaen. Mae'r mandylledd ymyl mwyaf tua 0.99 ar 100 awr, a'r diamedr gronynnau lleiaf tua 300 μm. Mae diamedr y gronynnau yn cynyddu a'r mandylledd yn lleihau ar wyneb uchaf y deunydd crai, sy'n cyfateb i ailgrisialu. Mae trwch yr ardal ailgrisialu yn cynyddu wrth i'r twf fynd yn ei flaen, ac mae maint a mandylledd y gronynnau yn parhau i newid. Mae diamedr mwyaf y gronynnau yn cyrraedd mwy na 1500 μm, a'r mandylledd lleiaf yw 0.13. Yn ogystal, gan fod PG yn cynyddu tymheredd ardal y deunydd crai a bod gor-dirlawnder nwy yn fach, mae trwch ailgrisialu rhan uchaf deunydd crai strwythur 1 yn fach, sy'n gwella'r gyfradd defnyddio deunydd crai.
Ffigur 6 Newidiadau mewn diamedr gronynnau (chwith) a mandylledd (dde) ardal y deunydd crai o strwythur 0 a strwythur 1 ar wahanol adegau, uned diamedr gronynnau: μm
Mae Ffigur 7 yn dangos bod strwythur 0 yn ystumio ar ddechrau'r twf, a all fod yn gysylltiedig â'r gyfradd llif deunydd gormodol a achosir gan graffiteiddio ymyl y deunydd crai. Mae graddfa'r ystumio yn cael ei gwanhau yn ystod y broses dwf ddilynol, sy'n cyfateb i'r newid yng nghyfradd llif deunydd ar flaen twf crisial strwythur 0 yn Ffigur 4 (d). Yn strwythur 1, oherwydd effaith PG, nid yw'r rhyngwyneb crisial yn dangos ystumio. Yn ogystal, mae PG hefyd yn gwneud cyfradd twf strwythur 1 yn sylweddol is na chyfradd twf strwythur 0. Dim ond 68% o drwch canol crisial strwythur 1 ar ôl 100 awr yw trwch canolog crisial strwythur 1.
Ffigur 7 Newidiadau rhyngwyneb crisialau strwythur 0 a strwythur 1 ar ôl 30, 60, a 100 awr
Cynhaliwyd twf crisialau o dan amodau proses efelychu rhifiadol. Dangosir y crisialau a dyfwyd gan strwythur 0 a strwythur 1 yn Ffigur 8(a) a Ffigur 8(b), yn y drefn honno. Mae crisial strwythur 0 yn dangos rhyngwyneb ceugrwm, gyda thonnau yn yr ardal ganolog a thrawsnewidiad cyfnod ar yr ymyl. Mae amgrwm yr wyneb yn cynrychioli rhywfaint o anghysondeb wrth gludo deunyddiau cyfnod nwy, ac mae digwyddiad trawsnewidiad cyfnod yn cyfateb i'r gymhareb C/Si isel. Mae rhyngwyneb y grisial a dyfwyd gan strwythur 1 ychydig yn amgrwm, ni chanfyddir unrhyw drawsnewidiad cyfnod, ac mae'r trwch yn 65% o'r grisial heb PG. Yn gyffredinol, mae canlyniadau twf y grisial yn cyfateb i'r canlyniadau efelychu, gyda gwahaniaeth tymheredd rheiddiol mwy ar ryngwyneb crisial strwythur 1, mae'r twf cyflym ar yr ymyl yn cael ei atal, ac mae cyfradd llif cyffredinol y deunydd yn arafach. Mae'r duedd gyffredinol yn gyson â chanlyniadau'r efelychu rhifiadol.
Ffigur 8 Crisialau SiC wedi'u tyfu o dan strwythur 0 a strwythur 1
Casgliad
Mae PG yn ffafriol i wella tymheredd cyffredinol ardal y deunydd crai a gwella unffurfiaeth tymheredd echelinol a rheiddiol, gan hyrwyddo dyrchafu a defnyddio'r deunydd crai yn llawn; mae'r gwahaniaeth tymheredd uchaf ac isaf yn cynyddu, ac mae graddiant rheiddiol wyneb y grisial hadau yn cynyddu, sy'n helpu i gynnal twf y rhyngwyneb amgrwm. O ran trosglwyddo màs, mae cyflwyno PG yn lleihau'r gyfradd trosglwyddo màs gyffredinol, mae cyfradd llif y deunydd yn y siambr dwf sy'n cynnwys PG yn newid llai gydag amser, ac mae'r broses dwf gyfan yn fwy sefydlog. Ar yr un pryd, mae PG hefyd yn atal trosglwyddiad màs ymyl gormodol rhag digwydd yn effeithiol. Yn ogystal, mae PG hefyd yn cynyddu'r gymhareb C/Si o'r amgylchedd twf, yn enwedig ar ymyl flaen rhyngwyneb y grisial hadau, sy'n helpu i leihau digwyddiad newid cyfnod yn ystod y broses dwf. Ar yr un pryd, mae effaith inswleiddio thermol PG yn lleihau digwyddiad ailgrisialu yn rhan uchaf y deunydd crai i ryw raddau. Ar gyfer twf crisial, mae PG yn arafu'r gyfradd twf crisial, ond mae'r rhyngwyneb twf yn fwy amgrwm. Felly, mae PG yn fodd effeithiol o wella amgylchedd twf crisialau SiC ac optimeiddio ansawdd crisial.
Amser postio: 18 Mehefin 2024