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* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 利用帕耳贴效应 由于固液界面处存在的接触电位差,当电流由熔体流向晶体时,电子被接触电位差产生的电场所加速,因此,相对于通常的焦耳热来说,固液界面处有附加的热量放出,即帕耳帖致热;相反,当电流由晶体流向熔体时,固液界面处将吸收热量,即帕耳帖致冷。以上两效应合称帕耳帖效应。 利用气流调节帕耳帖效应也可以控制晶体的直径。 控制提拉速率。在加热功率和热损耗一定时,拉速大直径小。然而在实际中,拉速变化可引起溶质的瞬态分凝,从而影响晶体质量,故实践中一般不用拉速来控制晶体直径。 晶体旋转对直径的影响: 搅拌熔体,使熔质混合均匀;使温场对称 转速增加晶体直径减小。 5. 提拉法工艺设备: 加热源 控温设备 熔体盛放设备 旋转提拉设备 气氛控制设备 氩气 射频线圈 硅氧观察窗 透明硅氧管 硅氧坩埚 石墨感受器 泡状氧化铝或类似的材料 陶瓷托 6. 提拉法生长晶体的一般原则: 平衡提拉速度和加热条件 引入籽晶时要使熔体温度略高于熔点 设计适当的冷却速度,避免冷却太快 引起晶体应变 1.2.2 定向凝固法(B-S方法) (a) (b) (c) (d) (e) 定向凝固法中使用的各种结构 铜的B-S生长装置图 定向凝固法生长单晶的设备: 特定结构的坩埚 热梯度炉体 程序控温设备 坩埚传动设备 密封管 石墨坩埚 橡皮塞 接真空泵 台架 生长炉 悬挂用金属丝 同步钟表电机控制下降 单晶凝固方法与叶片铸造 定向凝固技术与叶片铸造 1.2.3 区域熔化技术 水平区域熔化 悬浮区域熔化 在生长界面附近产生一个温度梯度,从而生长晶体。 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 1.2 液相-固相平衡的晶体生长 若系统中空间各点出现新相的概率都是相同的,称为均匀成核。反之,新相优先出现于系统中的某些区域,称为非均匀成核。 亚稳相转变为稳定相有两种方式 1.2 液相-固相平衡的晶体生长 对于亚稳态的理解 整个系统的吉布斯自由能可能存在几个极小 值,其中最小的极小值相当于系统的稳定态, 其它较大的极小值相当于亚稳态 亚稳态在一定限度内是稳定的状态 亚稳态间及亚稳态与稳定态间存在能量位垒, 亚稳态与稳定态间的能量位垒来自界面能 * * 1. 相变驱动力 晶体生长过程就是晶体界面向流体中推移的过程。 则有 此过程中 亚稳相(过冷熔体、过饱和溶液)的吉布斯自由能较稳定相(晶体)高,是促使亚稳相转变为稳定相的相变驱动力存在的原因。 以单个原子的形式表示: 则有: 讨论: 若流体为亚稳相,晶体为稳定相 Δg<0, f0 若晶体为亚稳相,流体为稳定相 Δg>0 ,f0 Δg也称为相变驱动力 Δg单个原子由亚稳流体转变为晶体引起吉布斯自由能的降低 气相生长系统中的相变驱动力 则有: f→σ→P:过饱和蒸汽压 相变条件: f>0 → σ >0 → p?p0,或者? ? 1 (即有一定的过饱和度) 令α=P/P0(饱和比), σ=α-1 溶液生长系统中的相变驱动力 f→σ→C :溶液的过饱和度 相变条件:f>0 → σ >0 → C ? CO,相变发生,有一定的过饱和度 令α=C/C0(饱和比), σ=α-1 熔体生长系统中的相变驱动力 f→△T:熔体的过冷度 相变条件:f>0 → △T=Tm-T>0 → T< Tm 2. 均匀形核 液态金属在过冷条件下形成晶坯时,系统的变化: 一定体积的液体转变为固体,体积自由能下降 增加了液-固相界面,增加了表面自由能 系统自由能的变化: 单位体积引起的自由能下降 * * 总能量变化= 驱动力 + 阻力 ? ? 体系体积自由能差(负值) 新增表面能 一个细小的晶体出现后,是否能长大,决定于在晶体的体积增加时,其自由能是否下降。 令 系统自由能的变化: 临界核半径: 讨论: rr*时,r=r* 时,rr* 时 0 ?r ?r* r ?, △G ? 消失几率?长大几率 ?晶核不能长大 r =r* (临界半径) △G= △G max= △G * 消失几率=长大几率 临界状态 r* ?r ?r0 r ?, △G ? 消失几率?长大几率 自发长大,但晶胚不稳定 r ? r0 △G ?0, 消失几率?长大几率 晶胚稳定长大形成晶核 按照r大
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