界面稳定性与组分过冷课件.ppt

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1、第五章界面稳定性与组分过冷生长过程中的界面稳定性过冷与组分过冷光滑平界面的失稳判据如何避免组分过冷主要知识点:对晶体生长而言，稳定而可控的生长过程是制备优质晶体的关键,也是晶体生长工艺中的难点。在实际操作时人们最为关心的问题莫过于：流体中的对流大小、体系的热稳定性、机械部分的平稳性如何、生长界面上有无小面出现、固液界面在宏观上是凸形的、凹形的还是平坦的‥‥‥等等，所有问题均涉及到生长过程系统的稳定性如何。前言当一个实际的系统处于某一平衡状态时,如果受到外来作用的影响，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称系统不稳定。一个控制系统要想能够实现所要求的控

2、制功能就必须是稳定的。对于稳定的系统振荡是减幅的；而对于不稳定的系统，振荡则是增幅的。前者会平衡于一个状态，后者却会不断增大直到系统被损坏。稳定性一般定义：晶体界面形态及稳定性晶体生长速度的各向异性决定了晶体的形态。而晶体的生长速度又是由界面的状态、生长机制和生长驱动力决定的。晶体生长界面的稳定性同时也涉及到运动流体的稳定性。热量输运生长界面的形态质量输运界面处的溶质分布熔体流动§1运动流体的稳定性ⅰ）自然对流格拉斯霍夫数为重力加速度，为坩埚的半径，为熔体的运动粘滞系数，为温度引起的体膨胀系数，为熔体的径向温度差。格拉斯霍夫数是代表具有不稳定倾向的浮力与具有稳定倾向的粘滞力的比值，是水平温差

3、引起自然对流的驱动力。当熔体所具有的格拉斯霍夫数超过临界值时就会产生不稳定对流，即引起熔体的温度振荡、干扰生长界面的稳定性和引起生长条纹等。ⅱ）强迫对流雷诺数为晶体的转速，为晶体的直径，为熔体的运动粘滞系数。雷诺数表示惯性力与粘滞力的比值，大小决定了粘性流体的流动特性，且流动的稳定性随雷诺数的增大而减弱。当其超过某一临界值时，熔体中的自然对流向强迫对流过渡，引起界面翻转。当雷诺数小于临界值时，固液界面凸向熔体；当雷诺数太大时，则固液界面变凹，只有处在临界雷诺数的条件下，固液界面才平坦。由此得出晶体生长所允许的最大转速为：ⅰ)界面形状的稳定性晶体形态界面形状的稳定性生长过程的人为可控溶质分布

4、§2生长界面的稳定性温度干扰、浓度干扰或几何干扰都可以检验界面的稳定性，所有任何微干扰都可以用一正弦函数表示。界面稳定界面不稳定ⅱ）界面稳定性理论的发展：1937年斯米尔诺夫斯基发现组分过冷现象1953年拉特、查尔默斯提出组分过冷概念1953年泰勒得到组分过冷判别式（仅考虑扩散）1961年赫尔得到考虑对流效应的组分过冷判别式1963年默林斯、塞克加完整了界面稳定性动力学理论界面稳定性的动力学理论是组分过冷理论的推广；组分过冷理论是界面稳定性动力学理论的特殊形式，是界面稳定性理论发展的主要实验依据。ⅲ）远离平衡条件下的枝晶生长主干和分支的生长方向总是沿晶轴方向，即与晶体的结构类型有关，并具有很

5、好的重复性。枝晶生长在具有粗糙界面生长机制的物质中表现最为显著．涉及到：潜热的耗散界面能的影响界面动力学等因素晶体的各向异性凡草木花多五出，雪花独六出。《韩诗外传》韩婴(西汉)ⅳ）过冷与过热体系过冷界面生长体系过热界面熔化体系热平衡时间温度结晶冷却曲线过冷度与材料的本性、纯度、冷却速度以及散热条件等因素有关。在结晶过程中，不一定是恒定不变的。§3影响生长界面稳定性的因素ⅲ)界面能对界面稳定性的影响ⅰ)温度梯度对界面稳定性的影响ⅱ)溶质分布对界面稳定性的影响根据界面热力学最小自由能原理，在结晶过程中固液界面力求维持其最低能态结构，即微观上呈粗糙状态，宏观上则为平直界面。晶体晶体晶体熔体熔体熔体

6、(a)(b)(c)温度梯度对界面稳定性的影响（ⅰ）实际温度曲线℃（ⅱ）溶质分布对界面稳定性的影响晶体晶体熔体熔体凝固点曲线晶体熔体℃℃℃℃反常温度梯度分布界面能正温度梯度分布溶质边界层负温度梯度分布组分过冷有利因素不利因素光滑平界面稳定性组分过冷：在原来过热的固液界面前沿，由于组分的再分配而造成的过冷称为组分过冷。存在组分过冷是使界面失去稳定性的充分必要条件。以考虑对流效应的影响为例：§4光滑平界面的失衡判椐避免组分过冷的临界条件：X=0则有：结论：适用于任何流动状态，包括各种自然对流和强迫对流；关键是求出不同工艺条件下的溶质边界层厚度的表达式；除了有效地控制挥发和污染之外，关键是选择合适的

7、、和。§5组分过冷形态学ⅰ）胞状界面与胞状组织ⅱ）云层—间歇式组分过冷ⅲ）包裹体与溶质尾迹结论：在晶体生长过程中，生长过冷度是必需的，否则就没有生长驱动力；而组分过冷又是必须要避免的，因为它将导致胞状界面或枝晶生长，严重影响晶体的品质。§6动态过冷度与界面稳定性结论：生长的动态过冷度只影响生长速率，并不直接破坏界面的稳定性骸晶(skeletoncrystal)：晶体生长过程中，沿着角顶或晶棱方向生长特别迅速，