Proses dhasar sakaSiCPertumbuhan kristal dipérang dadi sublimasi lan dekomposisi bahan mentah ing suhu dhuwur, transportasi zat fase gas ing sangisore aksi gradien suhu, lan pertumbuhan rekristalisasi zat fase gas ing kristal wiji. Adhedhasar iki, njero wadah dipérang dadi telung bagean: area bahan mentah, ruang pertumbuhan, lan kristal wiji. Model simulasi numerik digambar adhedhasar resistif nyata.SiCperalatan pertumbuhan kristal tunggal (deleng Gambar 1). Ing pitungan: sisih ngisorwadhahJaraké 90 mm saka sisih ngisor pemanas sisih, suhu ndhuwur wadhah yaiku 2100 ℃, diameter partikel bahan mentah yaiku 1000 μm, porositasé 0,6, tekanan pertumbuhané 300 Pa, lan wektu pertumbuhané 100 jam. Kekandelan PG yaiku 5 mm, diameteré padha karo diameter njero wadhah, lan dumunung 30 mm ing ndhuwur bahan mentah. Proses sublimasi, karbonisasi, lan rekristalisasi zona bahan mentah dianggep ing pitungan, lan reaksi antarane PG lan zat fase gas ora dianggep. Parameter sifat fisik sing ana gandhengane karo pitungan dituduhake ing Tabel 1.
Gambar 1 Model pitungan simulasi. (a) Model medan termal kanggo simulasi pertumbuhan kristal; (b) Pambagian area internal wadah lan masalah fisik sing gegandhengan
Tabel 1 Sawetara parameter fisik sing digunakake ing pitungan
Gambar 2(a) nuduhake yen suhu struktur sing ngemot PG (ditulis minangka struktur 1) luwih dhuwur tinimbang struktur bebas PG (ditulis minangka struktur 0) ing ngisor PG, lan luwih murah tinimbang struktur 0 ing ndhuwur PG. Gradien suhu sakabèhé mundhak, lan PG tumindak minangka agen insulasi panas. Miturut Gambar 2(b) lan 2(c), gradien suhu aksial lan radial struktur 1 ing zona bahan mentah luwih cilik, distribusi suhu luwih seragam, lan sublimasi bahan luwih lengkap. Ora kaya zona bahan mentah, Gambar 2(c) nuduhake yen gradien suhu radial ing kristal wiji struktur 1 luwih gedhe, sing bisa uga disebabake dening proporsi mode transfer panas sing beda-beda, sing mbantu kristal tuwuh kanthi antarmuka cembung. Ing Gambar 2(d), suhu ing posisi sing beda-beda ing wadah nuduhake tren sing saya tambah nalika tuwuh maju, nanging bedane suhu antarane struktur 0 lan struktur 1 mboko sithik mudhun ing zona bahan mentah lan mboko sithik mundhak ing ruang tuwuh.
Gambar 2 Distribusi suhu lan owah-owahan ing wadhah. (a) Distribusi suhu ing njero wadhah struktur 0 (kiwa) lan struktur 1 (tengen) jam 0, unit: ℃; (b) Distribusi suhu ing garis tengah wadhah struktur 0 lan struktur 1 saka ngisor bahan mentah menyang kristal wiji jam 0; (c) Distribusi suhu saka tengah menyang pinggir wadhah ing permukaan kristal wiji (A) lan permukaan bahan mentah (B), tengah (C) lan ngisor (D) jam 0, sumbu horisontal r minangka radius kristal wiji kanggo A, lan radius area bahan mentah kanggo B~D; (d) Owah-owahan suhu ing tengah bagean ndhuwur (A), permukaan bahan mentah (B) lan tengah (C) saka ruang pertumbuhan struktur 0 lan struktur 1 jam 0, 30, 60, lan 100 jam.
Gambar 3 nuduhake transportasi materi ing wektu sing beda-beda ing wadhah struktur 0 lan struktur 1. Laju aliran materi fase gas ing area materi mentah lan ruang pertumbuhan mundhak kanthi mundhake posisi, lan transportasi materi saya ringkih nalika pertumbuhan maju. Gambar 3 uga nuduhake yen ing kahanan simulasi, materi mentah pisanan nggrafitisasi ing tembok sisih wadhah banjur ing sisih ngisor wadhah. Kajaba iku, ana rekristalisasi ing permukaan materi mentah lan mboko sithik saya kandel nalika pertumbuhan maju. Gambar 4(a) lan 4(b) nuduhake yen laju aliran materi ing njero materi mentah mudhun nalika pertumbuhan maju, lan laju aliran materi ing 100 jam kira-kira 50% saka momen awal; Nanging, laju aliran relatif gedhe ing pinggir amarga grafitisasi materi mentah, lan laju aliran ing pinggir luwih saka 10 kali lipat saka laju aliran ing area tengah ing 100 jam; Kajaba iku, efek PG ing struktur 1 ndadekake laju aliran bahan ing area bahan mentah struktur 1 luwih murah tinimbang struktur 0. Ing Gambar 4(c), aliran bahan ing area bahan mentah lan ruang pertumbuhan mboko sithik saya ringkih nalika pertumbuhan maju, lan aliran bahan ing area bahan mentah terus mudhun, sing disebabake dening pambukaan saluran aliran udara ing pinggir wadah lan alangan rekristalisasi ing sisih ndhuwur; ing ruang pertumbuhan, laju aliran bahan struktur 0 mudhun kanthi cepet ing 30 jam awal nganti 16%, lan mung mudhun 3% ing wektu sabanjure, dene struktur 1 tetep relatif stabil sajrone proses pertumbuhan. Mulane, PG mbantu nyetabilake laju aliran bahan ing ruang pertumbuhan. Gambar 4(d) mbandhingake laju aliran bahan ing ngarep pertumbuhan kristal. Ing wayahe wiwitan lan 100 jam, transportasi materi ing zona pertumbuhan struktur 0 luwih kuwat tinimbang ing struktur 1, nanging mesthi ana area laju aliran sing dhuwur ing pinggir struktur 0, sing nyebabake pertumbuhan sing berlebihan ing pinggir. Anane PG ing struktur 1 kanthi efektif nyegah fenomena iki.
Gambar 3 Aliran materi ing wadhah. Vektor kecepatan (kiwa) lan kecepatan (tengen) saka transportasi materi gas ing struktur 0 lan 1 ing wektu sing beda, unit vektor kecepatan: m/s
Gambar 4 Owah-owahan ing laju aliran materi. (a) Owah-owahan ing distribusi laju aliran materi ing tengah materi mentah struktur 0 ing 0, 30, 60, lan 100 jam, r minangka radius area materi mentah; (b) Owah-owahan ing distribusi laju aliran materi ing tengah materi mentah struktur 1 ing 0, 30, 60, lan 100 jam, r minangka radius area materi mentah; (c) Owah-owahan ing laju aliran materi ing njero ruang pertumbuhan (A, B) lan ing njero materi mentah (C, D) struktur 0 lan 1 sajrone wektu; (d) Distribusi laju aliran materi cedhak permukaan kristal wiji struktur 0 lan 1 ing 0 lan 1, r minangka radius kristal wiji
C/Si mengaruhi stabilitas kristal lan kapadhetan cacat saka pertumbuhan kristal SiC. Gambar 5(a) mbandhingake distribusi rasio C/Si saka rong struktur kasebut ing wayahe awal. Rasio C/Si mboko sithik mudhun saka ngisor menyang ndhuwur wadhah, lan rasio C/Si struktur 1 mesthi luwih dhuwur tinimbang struktur 0 ing posisi sing beda. Gambar 5(b) lan 5(c) nuduhake yen rasio C/Si mboko sithik mundhak karo pertumbuhan, sing ana gandhengane karo kenaikan suhu internal ing tahap pertumbuhan pungkasan, peningkatan grafitisasi bahan mentah, lan reaksi komponen Si ing fase gas karo wadhah grafit. Ing Gambar 5(d), rasio C/Si struktur 0 lan struktur 1 beda banget ing ngisor PG (0, 25 mm), nanging rada beda ing ndhuwur PG (50 mm), lan bedane mboko sithik mundhak nalika nyedhaki kristal. Umumé, rasio C/Si struktur 1 luwih dhuwur, sing mbantu nyetabilake bentuk kristal lan nyuda kemungkinan transisi fase.
Gambar 5 Distribusi lan owah-owahan rasio C/Si. (a) Distribusi rasio C/Si ing wadhah struktur 0 (kiwa) lan struktur 1 (tengen) ing jam 0; (b) Rasio C/Si ing jarak sing beda saka garis tengah wadhah struktur 0 ing wektu sing beda (0, 30, 60, 100 jam); (c) Rasio C/Si ing jarak sing beda saka garis tengah wadhah struktur 1 ing wektu sing beda (0, 30, 60, 100 jam); (d) Perbandingan rasio C/Si ing jarak sing beda (0, 25, 50, 75, 100 mm) saka garis tengah wadhah struktur 0 (garis padat) lan struktur 1 (garis putus-putus) ing wektu sing beda (0, 30, 60, 100 jam).
Gambar 6 nuduhake owah-owahan ing diameter partikel lan porositas wilayah bahan mentah saka rong struktur kasebut. Gambar kasebut nuduhake yen diameter bahan mentah mudhun lan porositas mundhak cedhak tembok wadah, lan porositas pinggiran terus mundhak lan diameter partikel terus mudhun nalika tuwuh maju. Porositas pinggiran maksimum kira-kira 0,99 ing 100 jam, lan diameter partikel minimal kira-kira 300 μm. Diameter partikel mundhak lan porositas mudhun ing permukaan ndhuwur bahan mentah, cocog karo rekristalisasi. Kekandelan area rekristalisasi mundhak nalika tuwuh maju, lan ukuran partikel lan porositas terus owah. Diameter partikel maksimum tekan luwih saka 1500 μm, lan porositas minimal yaiku 0,13. Kajaba iku, amarga PG nambah suhu area bahan mentah lan supersaturasi gas cilik, kekandelan rekristalisasi bagean ndhuwur bahan mentah struktur 1 cilik, sing nambah tingkat pemanfaatan bahan mentah.
Gambar 6 Owah-owahan diameter partikel (kiwa) lan porositas (tengen) saka area bahan mentah struktur 0 lan struktur 1 ing wektu sing beda, unit diameter partikel: μm
Gambar 7 nuduhake yen struktur 0 melengkung ing awal pertumbuhan, sing bisa uga ana gandhengane karo laju aliran materi sing berlebihan sing disebabake dening grafitisasi pinggiran materi mentah. Tingkat melengkung dadi ringkih sajrone proses pertumbuhan sabanjure, sing cocog karo owah-owahan laju aliran materi ing ngarep pertumbuhan kristal struktur 0 ing Gambar 4 (d). Ing struktur 1, amarga efek PG, antarmuka kristal ora nuduhake melengkung. Kajaba iku, PG uga nggawe laju pertumbuhan struktur 1 luwih murah tinimbang struktur 0. Kekandelan tengah kristal struktur 1 sawise 100 jam mung 68% saka struktur 0.
Gambar 7 Owah-owahan antarmuka kristal struktur 0 lan struktur 1 ing 30, 60, lan 100 jam
Pertumbuhan kristal ditindakake miturut kahanan proses simulasi numerik. Kristal sing ditumbuhake dening struktur 0 lan struktur 1 dituduhake ing Gambar 8(a) lan Gambar 8(b). Kristal struktur 0 nuduhake antarmuka cekung, kanthi undulasi ing area tengah lan transisi fase ing pinggir. Konveksitas permukaan nggambarake tingkat inhomogenitas tartamtu ing transportasi bahan fase gas, lan kedadeyan transisi fase cocog karo rasio C/Si sing kurang. Antarmuka kristal sing ditumbuhake dening struktur 1 rada cembung, ora ana transisi fase sing ditemokake, lan kekandelane 65% saka kristal tanpa PG. Umumé, asil pertumbuhan kristal cocog karo asil simulasi, kanthi beda suhu radial sing luwih gedhe ing antarmuka kristal struktur 1, pertumbuhan sing cepet ing pinggir dicegah, lan laju aliran materi sakabèhé luwih alon. Tren sakabèhé konsisten karo asil simulasi numerik.
Gambar 8 Kristal SiC sing thukul ing struktur 0 lan struktur 1
Dudutan
PG kondusif kanggo ningkatake suhu sakabèhé ing area bahan mentah lan ningkatake keseragaman suhu aksial lan radial, ningkatake sublimasi lan pemanfaatan bahan mentah kanthi lengkap; bedane suhu ndhuwur lan ngisor mundhak, lan gradien radial permukaan kristal wiji mundhak, sing mbantu njaga pertumbuhan antarmuka cembung. Babagan transfer massa, introduksi PG nyuda laju transfer massa sakabèhé, laju aliran bahan ing ruang pertumbuhan sing ngemot PG owah luwih sithik karo wektu, lan kabeh proses pertumbuhan luwih stabil. Ing wektu sing padha, PG uga efektif nyegah kedadeyan transfer massa pinggiran sing berlebihan. Kajaba iku, PG uga nambah rasio C/Si saka lingkungan pertumbuhan, utamane ing pinggiran ngarep antarmuka kristal wiji, sing mbantu nyuda kedadeyan owah-owahan fase sajrone proses pertumbuhan. Ing wektu sing padha, efek insulasi termal PG nyuda kedadeyan rekristalisasi ing bagean ndhuwur bahan mentah nganti tingkat tartamtu. Kanggo pertumbuhan kristal, PG ngalangi laju pertumbuhan kristal, nanging antarmuka pertumbuhan luwih cembung. Mulane, PG minangka cara sing efektif kanggo ningkatake lingkungan pertumbuhan kristal SiC lan ngoptimalake kualitas kristal.
Wektu kiriman: 18 Juni 2024