Procesi bazë iSiCRritja e kristalit ndahet në sublimim dhe dekompozim të lëndëve të para në temperaturë të lartë, transportim të substancave të fazës së gaztë nën veprimin e gradientit të temperaturës dhe rritje të rikristalizimit të substancave të fazës së gaztë në kristalin fillestar. Bazuar në këtë, pjesa e brendshme e enës ndahet në tre pjesë: zona e lëndës së parë, dhoma e rritjes dhe kristali fillestar. Një model simulimi numerik u vizatua bazuar në rezistencën aktuale.SiCpajisje për rritjen e kristaleve të vetme (shih Figurën 1). Në llogaritje: fundi ienë për shkrirjeështë 90 mm larg nga fundi i ngrohësit anësor, temperatura e sipërme e enës së shkrirjes është 2100 ℃, diametri i grimcave të lëndës së parë është 1000 μm, poroziteti është 0.6, presioni i rritjes është 300 Pa dhe koha e rritjes është 100 orë. Trashësia e PG është 5 mm, diametri është i barabartë me diametrin e brendshëm të enës së shkrirjes dhe ndodhet 30 mm mbi lëndën e parë. Proceset e sublimimit, karbonizimit dhe rikristalizimit të zonës së lëndës së parë merren në konsideratë në llogaritje, dhe reagimi midis PG dhe substancave në fazën e gazit nuk merret në konsideratë. Parametrat e vetive fizike që lidhen me llogaritjen tregohen në Tabelën 1.
Figura 1 Modeli i llogaritjes së simulimit. (a) Modeli i fushës termike për simulimin e rritjes së kristalit; (b) Ndarja e sipërfaqes së brendshme të enës së shkrirjes dhe problemet fizike që lidhen me të
Tabela 1 Disa parametra fizikë të përdorur në llogaritje
Figura 2(a) tregon se temperatura e strukturës që përmban PG (e shënuar si struktura 1) është më e lartë se ajo e strukturës pa PG (e shënuar si struktura 0) nën PG, dhe më e ulët se ajo e strukturës 0 mbi PG. Gradienti i përgjithshëm i temperaturës rritet, dhe PG vepron si një agjent izolues i nxehtësisë. Sipas Figurave 2(b) dhe 2(c), gradientët aksialë dhe radialë të temperaturës së strukturës 1 në zonën e lëndës së parë janë më të vegjël, shpërndarja e temperaturës është më uniforme dhe sublimimi i materialit është më i plotë. Ndryshe nga zona e lëndës së parë, Figura 2(c) tregon se gradienti radial i temperaturës në kristalin e farës së strukturës 1 është më i madh, gjë që mund të shkaktohet nga përmasat e ndryshme të mënyrave të ndryshme të transferimit të nxehtësisë, gjë që ndihmon kristalin të rritet me një ndërfaqe konvekse. Në Figurën 2(d), temperatura në pozicione të ndryshme në enë tregon një trend në rritje ndërsa rritja përparon, por ndryshimi i temperaturës midis strukturës 0 dhe strukturës 1 zvogëlohet gradualisht në zonën e lëndës së parë dhe rritet gradualisht në dhomën e rritjes.
Figura 2 Shpërndarja e temperaturës dhe ndryshimet në enën e shkrirjes. (a) Shpërndarja e temperaturës brenda enës së shkrirjes së strukturës 0 (majtas) dhe strukturës 1 (djathtas) në orën 0, njësia: ℃; (b) Shpërndarja e temperaturës në vijën qendrore të enës së shkrirjes së strukturës 0 dhe strukturës 1 nga fundi i lëndës së parë deri te kristali i farës në orën 0; (c) Shpërndarja e temperaturës nga qendra në skajin e enës së shkrirjes në sipërfaqen e kristalit të farës (A) dhe sipërfaqen e lëndës së parë (B), mesin (C) dhe fundin (D) në orën 0, boshti horizontal r është rrezja e kristalit të farës për A, dhe rrezja e sipërfaqes së lëndës së parë për B~D; (d) Ndryshimet e temperaturës në qendër të pjesës së sipërme (A), sipërfaqes së lëndës së parë (B) dhe mesit (C) të dhomës së rritjes së strukturës 0 dhe strukturës 1 në orën 0, 30, 60 dhe 100.
Figura 3 tregon transportin e materialit në kohë të ndryshme në enën e strukturës 0 dhe strukturës 1. Shkalla e rrjedhjes së materialit në fazën e gaztë në zonën e lëndës së parë dhe në dhomën e rritjes rritet me rritjen e pozicionit, dhe transporti i materialit dobësohet ndërsa rritja përparon. Figura 3 tregon gjithashtu se në kushtet e simulimit, lënda e parë së pari grafitohet në murin anësor të enës së shkrirjes dhe më pas në fund të enës. Përveç kësaj, ka rikristalizim në sipërfaqen e lëndës së parë dhe ajo gradualisht trashet ndërsa rritja përparon. Figurat 4(a) dhe 4(b) tregojnë se shkalla e rrjedhjes së materialit brenda lëndës së parë zvogëlohet ndërsa rritja përparon, dhe shkalla e rrjedhjes së materialit në 100 orë është rreth 50% e momentit fillestar; megjithatë, shkalla e rrjedhjes është relativisht e madhe në skaj për shkak të grafitimit të lëndës së parë, dhe shkalla e rrjedhjes në skaj është më shumë se 10 herë më e lartë se shkalla e rrjedhjes në zonën e mesme në 100 orë; Përveç kësaj, efekti i PG në strukturën 1 e bën shkallën e rrjedhjes së materialit në zonën e lëndës së parë të strukturës 1 më të ulët se ajo e strukturës 0. Në Figurën 4(c), rrjedhja e materialit si në zonën e lëndës së parë ashtu edhe në dhomën e rritjes dobësohet gradualisht ndërsa rritja përparon, dhe rrjedhja e materialit në zonën e lëndës së parë vazhdon të ulet, gjë që shkaktohet nga hapja e kanalit të rrjedhjes së ajrit në buzë të enës së shkrirjes dhe pengimi i rikristalizimit në majë; në dhomën e rritjes, shkalla e rrjedhjes së materialit të strukturës 0 zvogëlohet me shpejtësi në 30 orët fillestare në 16%, dhe zvogëlohet vetëm me 3% në kohën pasuese, ndërsa struktura 1 mbetet relativisht e qëndrueshme gjatë gjithë procesit të rritjes. Prandaj, PG ndihmon në stabilizimin e shkallës së rrjedhjes së materialit në dhomën e rritjes. Figura 4(d) krahason shkallën e rrjedhjes së materialit në frontin e rritjes së kristalit. Në momentin fillestar dhe pas 100 orësh, transporti i materialit në zonën e rritjes së strukturës 0 është më i fortë se ai në strukturën 1, por gjithmonë ka një zonë me shpejtësi të lartë rrjedhjeje në skajin e strukturës 0, gjë që çon në rritje të tepërt në skaj. Prania e PG në strukturën 1 e shtyp në mënyrë efektive këtë fenomen.
Figura 3 Rrjedha e materialit në enën e shkrirjes. Vijat e rrjedhës (majtas) dhe vektorët e shpejtësisë (djathtas) të transportit të materialit të gazit në strukturat 0 dhe 1 në kohë të ndryshme, njësia e vektorit të shpejtësisë: m/s
Figura 4 Ndryshimet në shpejtësinë e rrjedhjes së materialit. (a) Ndryshimet në shpërndarjen e shpejtësisë së rrjedhjes së materialit në mes të lëndës së parë të strukturës 0 në 0, 30, 60 dhe 100 orë, r është rrezja e zonës së lëndës së parë; (b) Ndryshimet në shpërndarjen e shpejtësisë së rrjedhjes së materialit në mes të lëndës së parë të strukturës 1 në 0, 30, 60 dhe 100 orë, r është rrezja e zonës së lëndës së parë; (c) Ndryshimet në shpejtësinë e rrjedhjes së materialit brenda dhomës së rritjes (A, B) dhe brenda lëndës së parë (C, D) të strukturave 0 dhe 1 me kalimin e kohës; (d) Shpërndarja e shpejtësisë së rrjedhjes së materialit pranë sipërfaqes së kristalit të farës së strukturave 0 dhe 1 në 0 dhe 100 orë, r është rrezja e kristalit të farës
C/Si ndikon në stabilitetin kristalor dhe dendësinë e defekteve të rritjes së kristalit SiC. Figura 5(a) krahason shpërndarjen e raportit C/Si të dy strukturave në momentin fillestar. Raporti C/Si zvogëlohet gradualisht nga fundi në majë të enës së shkrirjes, dhe raporti C/Si i strukturës 1 është gjithmonë më i lartë se ai i strukturës 0 në pozicione të ndryshme. Figurat 5(b) dhe 5(c) tregojnë se raporti C/Si rritet gradualisht me rritjen, gjë që lidhet me rritjen e temperaturës së brendshme në fazën e mëvonshme të rritjes, rritjen e grafitizimit të lëndës së parë dhe reagimin e përbërësve të Si në fazën e gaztë me enën e shkrirjes së grafitit. Në Figurën 5(d), raportet C/Si të strukturës 0 dhe strukturës 1 janë mjaft të ndryshme nën PG (0,25 mm), por paksa të ndryshme mbi PG (50 mm), dhe ndryshimi rritet gradualisht ndërsa i afrohet kristalit. Në përgjithësi, raporti C/Si i strukturës 1 është më i lartë, gjë që ndihmon në stabilizimin e formës së kristalit dhe zvogëlimin e probabilitetit të tranzicionit të fazës.
Figura 5 Shpërndarja dhe ndryshimet e raportit C/Si. (a) Shpërndarja e raportit C/Si në enët me strukturë 0 (majtas) dhe strukturën 1 (djathtas) në orën 0; (b) Raporti C/Si në distanca të ndryshme nga vija qendrore e enës me strukturë 0 në kohë të ndryshme (0, 30, 60, 100 orë); (c) Raporti C/Si në distanca të ndryshme nga vija qendrore e enës me strukturë 1 në kohë të ndryshme (0, 30, 60, 100 orë); (d) Krahasimi i raportit C/Si në distanca të ndryshme (0, 25, 50, 75, 100 mm) nga vija qendrore e enës me strukturë 0 (vijë e plotë) dhe strukturës 1 (vijë e ndërprerë) në kohë të ndryshme (0, 30, 60, 100 orë).
Figura 6 tregon ndryshimet në diametrin e grimcave dhe porozitetin e rajoneve të lëndës së parë të dy strukturave. Figura tregon se diametri i lëndës së parë zvogëlohet dhe poroziteti rritet pranë murit të enës së shkrirjes, dhe poroziteti i skajit vazhdon të rritet dhe diametri i grimcave vazhdon të ulet ndërsa rritja përparon. Poroziteti maksimal i skajit është rreth 0.99 në 100 orë, dhe diametri minimal i grimcave është rreth 300 μm. Diametri i grimcave rritet dhe poroziteti zvogëlohet në sipërfaqen e sipërme të lëndës së parë, që korrespondon me rikristalizimin. Trashësia e zonës së rikristalizimit rritet ndërsa rritja përparon, dhe madhësia e grimcave dhe poroziteti vazhdojnë të ndryshojnë. Diametri maksimal i grimcave arrin më shumë se 1500 μm, dhe poroziteti minimal është 0.13. Përveç kësaj, meqenëse PG rrit temperaturën e zonës së lëndës së parë dhe mbingopja e gazit është e vogël, trashësia e rikristalizimit të pjesës së sipërme të lëndës së parë të strukturës 1 është e vogël, gjë që përmirëson shkallën e shfrytëzimit të lëndës së parë.
Figura 6 Ndryshimet në diametrin e grimcave (majtas) dhe porozitetin (djathtas) të zonës së lëndës së parë të strukturës 0 dhe strukturës 1 në kohë të ndryshme, njësia e diametrit të grimcave: μm
Figura 7 tregon se struktura 0 deformohet në fillim të rritjes, gjë që mund të lidhet me shpejtësinë e tepërt të rrjedhjes së materialit të shkaktuar nga grafitizimi i skajit të lëndës së parë. Shkalla e deformimit dobësohet gjatë procesit të rritjes pasuese, gjë që korrespondon me ndryshimin në shpejtësinë e rrjedhjes së materialit në pjesën e përparme të rritjes së kristalit të strukturës 0 në Figurën 4 (d). Në strukturën 1, për shkak të efektit të PG, ndërfaqja e kristalit nuk tregon deformim. Përveç kësaj, PG gjithashtu e bën shpejtësinë e rritjes së strukturës 1 dukshëm më të ulët se atë të strukturës 0. Trashësia qendrore e kristalit të strukturës 1 pas 100 orësh është vetëm 68% e asaj të strukturës 0.
Figura 7 Ndryshimet në ndërfaqen e kristaleve të strukturës 0 dhe strukturës 1 në 30, 60 dhe 100 orë
Rritja e kristalit u krye në kushtet e procesit të simulimit numerik. Kristalet e rritura nga struktura 0 dhe struktura 1 tregohen përkatësisht në Figurën 8(a) dhe Figurën 8(b). Kristali i strukturës 0 tregon një ndërfaqe konkave, me valëzime në zonën qendrore dhe një tranzicion faze në skaj. Konveksiteti i sipërfaqes përfaqëson një shkallë të caktuar të inhomogjenitetit në transportin e materialeve të fazës së gaztë, dhe ndodhja e tranzicionit fazor korrespondon me raportin e ulët C/Si. Ndërfaqja e kristalit të rritur nga struktura 1 është paksa konvekse, nuk gjendet asnjë tranzicion faze dhe trashësia është 65% e kristalit pa PG. Në përgjithësi, rezultatet e rritjes së kristalit korrespondojnë me rezultatet e simulimit, me një ndryshim më të madh të temperaturës radiale në ndërfaqen e kristalit të strukturës 1, rritja e shpejtë në skaj është e shtypur dhe shkalla e përgjithshme e rrjedhjes së materialit është më e ngadaltë. Trendi i përgjithshëm është në përputhje me rezultatet e simulimit numerik.
Figura 8 Kristale SiC të rritura sipas strukturës 0 dhe strukturës 1
Përfundim
PG është i favorshëm për përmirësimin e temperaturës së përgjithshme të zonës së lëndës së parë dhe përmirësimin e uniformitetit të temperaturës aksiale dhe radiale, duke nxitur sublimimin dhe shfrytëzimin e plotë të lëndës së parë; ndryshimi i temperaturës së sipërme dhe të poshtme rritet, dhe gradienti radial i sipërfaqes së kristalit të farës rritet, gjë që ndihmon në ruajtjen e rritjes konvekse të ndërfaqes. Sa i përket transferimit të masës, futja e PG zvogëlon shkallën e përgjithshme të transferimit të masës, shkalla e rrjedhjes së materialit në dhomën e rritjes që përmban PG ndryshon më pak me kalimin e kohës, dhe i gjithë procesi i rritjes është më i qëndrueshëm. Në të njëjtën kohë, PG gjithashtu pengon në mënyrë efektive ndodhjen e transferimit të tepërt të masës në skaj. Përveç kësaj, PG gjithashtu rrit raportin C/Si të mjedisit të rritjes, veçanërisht në skajin e përparmë të ndërfaqes së kristalit të farës, gjë që ndihmon në zvogëlimin e ndodhjes së ndryshimit të fazës gjatë procesit të rritjes. Në të njëjtën kohë, efekti i izolimit termik të PG zvogëlon ndodhjen e rikristalizimit në pjesën e sipërme të lëndës së parë në një farë mase. Për rritjen e kristalit, PG ngadalëson shkallën e rritjes së kristalit, por ndërfaqja e rritjes është më konvekse. Prandaj, PG është një mjet efektiv për të përmirësuar mjedisin e rritjes së kristaleve SiC dhe për të optimizuar cilësinë e kristalit.
Koha e postimit: 18 qershor 2024