传热和传质基本原理----第七章-晶体生长中的输课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章,晶体生长中的输运理论,第七章 晶体生长中的输运理论,1,晶体生长发展的基础是相平衡理论，但生长的实际过程却是非平衡态过程。,存在不同模式的输运过程、这些输运过程主要包括：,非平衡,平衡状态,热量,质量,动量,输运的原因,系统内各部分的“输运势”不相等,输运的结果,晶体生长发展的基础是相平衡理论，但生长的实际过程却是非平衡态,2,输运对晶体生长的影响：,生长速率,生长界面的稳定性,晶体质量,输运对晶体生长的影响：生长速率生长界面的稳定性晶体质量,3,7.1,输运理论的基本方程,7.1 输运理论的基本方程,4,7.1.1,动量输运,1,动量输运,流体相内各部分之间的运动速度不同，因此，存在流体相对运动，考虑到流体内部的摩擦作用（粘滞性），因而输运了动量，描述流体的运动,(Navier-Stokes),方程可分成：,I,强迫对流系统的流体动力学方程；,II,自然对流系统的流体动力学方程,.,7.1.1 动量输运 1 动量输运流体相内各部分之间的运动速,5,流体中输运过程的两种机制：,迁移,传导或扩散,即通过某一流动系统，流体及其任一性质整体地逐点移动的直接过程,质量或热量或动量朝着浓度、温度或动量减小的方向迁移的过程,流体中输运过程的两种机制： 迁移传导或扩散 即通过某一流动系,6,I 强迫对流系统的Navier-Stokes方程,式中，,V,为流体运动速度；,为流体密度；,为流体的动力粘滞系数；,p,为压强；,f,为作用在流体基元上的体积力,该式左边括号中为流体加速度，故等式左边为单位体积的质量与加速度的乘积，即单位体积流体的惯性力；,右边第一项为单位体积流体的粘滞力，后两项分别为考虑到压力梯度和重力而引入的。,I 强迫对流系统的Navier-Stokes方程式中，V为流,7,II自然对流系统的流体动力学方程,T,为由于温度不均匀性而引起的体膨胀系数；,c,则为由于浓度不均匀性而引起的体膨胀系数。,II自然对流系统的流体动力学方程T为由于温度不均匀性而引起,8,运动流体中质量输运有两种完全不同的机制：,I,流体中存在浓度差时发生的分子扩散,流体中物质的对流扩散,II,溶解于流体中的物质的质点，在流体宏观运,动中被流体带动并一起输运。,7.1.2,对流扩散质量输运,运动流体中质量输运有两种完全不同的机制：I 流体中存在浓度差,9,对于不可压缩流体的流动，物质的对流扩散方程为：,式中，,C,为溶质浓度，,V,为流体的运动速度，,D,为扩散系数。,如果流体处于静止状态，即V0，此时流体的质量输运纯属于溶质的扩散作用，则上式变为Fick定律：,对于不可压缩流体的流动，物质的对流扩散方程为：式中，C为溶质,10,密度、热容、导热系数等随温度的变化为常数时，在不考虑对流传热所引起的能量损耗时的对流传热方程可表示为：,式中，,C,p,为流体的定压热容，,K,为热传导系数。,7.1.3,对流传热,热量输运,如果流体处于静止状态，即,V,0,，此时流体的热量输运为热传导的,Fourier,方程：,密度、热容、导热系数等随温度的变化为常数时，在不考虑对流传热,11,1,某参量对时间的改变率,或者，,7.1.4,算法,例如：,1 某参量对时间的改变率或者，7.1.4 算法 例如：,12,2 参量B对时间的改变率,随体导数：,式中左边第一项称为参数,B,的随体导数；,当地导数：,式中右边第一项是在位置坐标不变的条件下，参,数,B,对时间的偏导数，表示流场中某一固定点的,参数量对时间的改变率，称为当地导数；,迁移导数：,V,B,是由于参数,B,在空间分布不均匀性而引起的，它只有在非均匀流体中存在，称为迁移导数。,2 参量B对时间的改变率随体导数：式中左边第一项称为参数B的,13,1,压缩性流体,流体在运动过程中，如果每个质点的密度,(,或比容,),不变，这种流体即可称为,不可压缩流体,；,否则，就称为,可压缩流体,。,7.1.5,流体的压缩性和定常性,问题：,不可压缩流体流场中密度一定均匀分布？,1 压缩性流体 流体在运动过程中，如果每个质点的密度,14,2 均质流体,定义：,密度不随坐标而改变的流动称为均质流动。,问题：什么是,不可压缩均质流体？,2 均质流体 定义：密度不随坐标而改变的流动称为均质,15,定义：不随位置改变，也不随时间而改变。,定义：不随位置改变，也不随时间而改变。,16,3 定常流体,如果所有物理参数的当地导数都等于零，这种流动则称为定常的否则称为非定常的。,3 定常流体如果所有物理参数的当地导数都等于零，这种流动则称,17,1,连续性方程,连续性方程是质量守恒定律对于运动流体的表达式。在单位时间内，经封闭曲面流入和流出的流体质量的总和应等于在同一时间段内，该封闭曲面内流体质量的变化。,7.1.6,连续性方程,对于不可压缩均质流体，有,常数：,1 连续性方程 连续性方程是质量守恒定律对于运,18,7.2,混合传输的动力学方程组,7.2 混合传输的动力学方程组,19,1 混合传输,热和质的同时传输即为混合传输,。,如果不考虑导热、扩散和内摩擦三种不可逆过程引起的能量耗散。,对流传热方程,对流扩散方程,不可压缩均质流体的连续性方程,强迫对流系统的Navier-Stokes方程,1 混合传输 热和质的同时传输即为混合传输。如果不考,20,2 混合传输的求解,求解,结果,模拟方法,物理模拟,数学模拟,量纲分析,区域近似,2 混合传输的求解 求解结果模拟方法物理模拟数学模拟量纲分析,21,7.3,边界层理论,7.3 边界层理论,22,1,流场的两个区域,边界层紧贴物体表面非常薄的一层区域，称为边界层；,外部流动边界层以外的整个流动区域，称之为外部流动。,1 流场的两个区域 边界层紧贴物体表面非常薄的一层区域，称,23,2 粘性应力,边界层内粘性应力:,速度从相当高的势流值连续降低到物体表面上的零值是在非常狭窄的边界层内完成的。因此，它的变化异常急剧，速度梯度很大，虽然在大Re数的情况下，流体的粘滞系数,很小，但因,很大，故粘性应力,仍然可以达到很高的数值。,2 粘性应力很大，故粘性应力仍然可以达到很高的数值。,24,外部流动,粘性应力:,粘性力全部略去，把流体近似地看成是理想的。,外部流动粘性应力:,25,3 边界层的厚度,通常用边界层沿物体表面法线方向的距离即边界层的厚度,d,V,表征边界层的区域：人为地约定与来流速度相差1的地方就是外部边界。,3 边界层的厚度,26,平板的速度边界层厚度,d,V,(,x,),旋转圆盘下的速度边界层厚度为,为流体的运动粘滞系数，,V,0,为流体的整体速度、,x,为平板上的坐标。,w,为旋转圆盘的转速,4 速度边界层,平板的速度边界层厚度dV(x) 旋转圆盘下的速度边界层厚度为,27,用提拉法生长晶体时，类似于旋转圆盘的情况。,如果我们在晶体生长过程中，采用速度边界层近似，对流体运动的处理就会大大简化，旋转晶体对生长的影响，可以只归结于对速度边界层厚度的影响。,例如：对提拉法生长晶体中晶体旋转的搅拌效应，可以通过上页式子归结为角速度,w,对,d,V,的影响：,越大，,w越小，,则,d,V,就越大。,用提拉法生长晶体时，类似于旋转圆盘的情况。,28,传热和传质基本原理-第七章-晶体生长中的输课件,29,5 溶质边界层,主要由,对流传,递决定,溶质分布,溶质边,界层,d,c,浓度不,变区域,对流起作用,溶质分布,完全均匀,扩散起作用,溶质直线分布,5 溶质边界层主要由溶质边浓度不对流起作用扩散起作用,30,旋转圆盘下的浓度边界层厚度为,D,为溶质扩散系数，,为,运动粘滞系数,w,为旋转圆盘的转速,旋转圆盘下的浓度边界层厚度为 D为溶质扩散系数，为运动粘滞,31,提拉法生长晶体的溶质边界层，近似于旋转圆盘下的溶质边界层的情况。流体中的自然对流和强迫对流对晶体生长过程中所产生的分凝效应的影响，可归结为对流对溶质边界层厚度,d,c,的影响，不同的温度梯度场所产生的自然对流以及用不同的搅拌方式所产生的强迫对流，都将以不同的方式影响溶质边界层的厚度,d,c,。,提拉法生长晶体的溶质边界层，近似于旋转圆盘下的溶质边界层的,32,6 温度边界层,主要对流传热,热扩散传热,6 温度边界层主要对流传热热扩散传热,33,晶体旋转对流体中的速度边界层、溶质边界层和温度边界层的影响都是相似的，即边界层的厚度都是与晶体旋转角速度,w,的平方根成反比。,晶体旋转对流体中的速度边界层、溶质边界层和温度边界层的影响都,34,7 湍流和强迫对流,1 层流：在速度边界层内，流体速率随着接近界面而连续减小，距界面距离相同的流体薄层内，流体的流速是相同的,各流体,薄,层间作相对滑动，这种流动称作层流。,7 湍流和强迫对流 1 层流：在速度边界层内，流体速率随着接,35,2 湍流：流动体的迹线是紊乱而瞬变的，其流动速度是在某一平均值附近作规则地脉动着，称这种流动为湍流。,2 湍流：流动体的迹线是紊乱而瞬变的，其流动速度是在某一平均,36,Re,层流,湍流,输运过程,Re层流湍流输运过程,37,7.4,输运理论的应用,7.4 输运理论的应用,38,提拉法生长晶体时晶体中的温度分布,温度分布,热应力,位错密度,晶体开裂，缺陷,提拉法生长晶体时晶体中的温度分布温度分布热应力位错密度晶体开,39,7.4.1,晶体中的温度分布,晶体半径,r,a,，长度,l,，晶体各向同性，密度,r,，比热,c,，热传导系数,K,；稳态温场。,r,7.4.1 晶体中的温度分布晶体半径ra，长度l，晶体各向同,40,使非线性方程线性化：令：,(,r,，,z,) T(,r,，,z,)-T,0,。,其边界条件为 ：,使非线性方程线性化：令： (r，z) T(r，z)-T0,41,式中，,为热交换系数，是对流热交换系数与辐射热交换系数之和。,满足上述边界条件的偏微分方程式的近似解为：,式中，为热交换系数，是对流热交换系数与辐射热交换系数之和。,42,晶体中温度梯度矢量沿轴向z和沿径向r的分量分别为 ：,h,K,晶体中温度梯度矢量沿轴向z和沿径向r的分量分别为 ：h,43,或 ：,或 ：,44,或 ：,式中的,h,K,，即为晶体与环境的热交换系数,与晶体本身的热传导系数,K之比值。,或 ：式中的hK，即为晶体与环境的热交换系数与晶体本,45,讨论：,1 ,(,r,，,z,),1）在晶体内同一水平面上,(即z为常数)以r为半径的圆周上(即r为常数)的任意点的温度都相同。,讨论： 1 (r，z)1）在晶体内同一水平面上(即z为常数,46,2）通常,h,1cm,-1,(如Ge的h=1510,-2,cm,-1,)而r,a,的量级为12cm，不管h值的正负如何,分母:,(1hr,a,/2)0,因此当z为常数时:,(r,、p)(常数)(1hr,2,/2r,a,),2）通常h 0，即环境气氛冷却晶体,晶体中的温度,随,r增大而降低此时晶体中的等温面凹向熔体。,(r、z)(常数)(1hr2/2ra),48,(r,、z)(常数)(1hr,2,/2r,a,),但是当,h,K,0，由,(r,、z)(常数) (1hr,2,/2r,a,)可知，晶体在同一水平面上的温度，将随r的增加而升高故此时的等温面凸向溶体。,(r、z)(常数)(1hr2/2ra)但是当hK,49,3）如r为常数，,(r,、z)(常数)exp-(常数)z，晶体中的温度随z的增加而按指数律减小。,3）如r为常数，(r、z)(常数)exp-(常数),50,1）,r=constant,此时晶体中温度梯度的轴向和径向分量都随,z,的增加而按指数规律减小。,1）r=constant,51,2）z,=constant,2）z=constant,52,7.4.2,熔体中的温度场与速度场,稳态温场，并且具有旋转对称性,情况下：,1.,当晶体不旋转时、坩埚中的液流为自然对流。,7.4.2 熔体中的温度场与速度场稳态温场，并且具有旋转对称,53,2.当,晶体转速为,40r,min,时，坩埚中同时存在自然对流和强迫对流。,自然对流,强迫对流,2.当晶体转速为40rmin时，坩埚中同时存在自然对流和强,54,传热和传质基本原理-第七章-晶体生长中的输课件,55,由于晶体的旋转在熔体上部产生了强迫对流的环流，由于此环流是沿灼热的坩埚壁螺旋下降再于晶体下方螺旋上升这样必然将更多的热量输送到晶体下方。这一效应就等价于将等温面向上推挤。由于固液界面是温度为凝固点的等温面，故晶体旋转能使固液界面由凸变平或由平变凹。其次晶体旋转可使晶体下面熔体中的等温面变密，从而提高了固液界面附近熔体中的温度梯度。,由于晶体的旋转在熔体上部产生了强迫对流的环流，由于此环流是,56,7.4.3,稳定状态的生长速率,热量输运,晶体生长速率,熔体中热量输运,晶体中热量输运,7.4.3 稳定状态的生长速率 热量输运晶体生长速率熔体中热,57,在固液界面处的热流包括三部分：,Q,L,表示在单位时间内由固液界面液相一侧流入固液界面的热量；,Q,S,表示在单位时间内由固液界面固相一侧流走的热量；,Q,c,则表示在单位时间内结晶放出的潜热。,Q,C,Q,S,Q,L,T,O,在固液界面处的热流包括三部分：QCQSQLTO,58,假设：,假设：,59,令，晶体的结晶线速度为,V,，单位质量的熔体转变为晶体时所释放的结晶潜热为,H,，晶体的密度为,，则有 :,分析：,Q,C,Q,S,Q,L,T,O,令，晶体的结晶线速度为V，单位质量的熔体转变为晶体时所释放的,60,关于V,关于V,61,结构因素,加热因素,冷却因素,Q,C,Q,S,Q,L,T,O,结构因素加热因素冷却因素QCQSQLTO,62,V0，晶体生长,过冷熔体,Q,C,Q,S,Q,L,T,O,T,O,T,O,V0，晶体生长过冷熔体QCQSQLTOTO,63,7.5,提拉法晶体生长,中的界面翻转,7.5 提拉法晶体生长,64,7.5.1,界面反转的概念,晶体生长过程中，当晶体旋转速度和其他生长条件不变的条件下，随着晶体直径的增大，当晶体直径达到某一临界值时，固液界面会由凸形变为平界面或凹界面。这种界面形状的突变被称为界面翻转。,它暗示：流体的流动状态是一个突变过程。,自然对流,强迫对流,7.5.1 界面反转的概念晶体生长过程中，当晶体旋转速度和其,65,S,L,界面前沿自然对流占优,S,L,界面前沿强迫对流占优,SL界面前沿自然对流占优SL界面前沿强迫对流占优,66,7.5.2,界面反转的临界条件,晶体生长过程中，坩埚中的流体存在两种流动：,1,当由于强迫对流引起的惯性力大于由于流体粘性引起的粘性力时，流体就会产生强迫对流，可以用,Re,强,表示：,是晶体旋转速度；,熔体运动粘度；,d,晶体直径。,7.5.2 界面反转的临界条件晶体生长过程中，坩埚中的流体存,67,2 当由于温度差引起的自然对流的浮力大于由于流体粘性引起的粘性力时，流体就会产生自然对流，可以用,G,r表示：,T,是温度引起的体膨胀系数；,T,为坩埚中心与坩埚壁之间的温度差。,2 当由于温度差引起的自然对流的浮力大于由于流体粘性引起的粘,68,流体由自然对流转变为强迫对流的临界条件为：,或者：,d,C,是,流体由自然对流转变为强迫对流时晶体的临界直径。,流体由自然对流转变为强迫对流的临界条件为：或者：dC是流体由,69,7.5.3,说明与讨论,1,界面反转产生的原因,界面反转是因熔体流动状态突变所致。,S,L,界面前沿自然对流占优,S,L,界面前沿强迫对流占优,7.5.3 说明与讨论1 界面反转产生的原因SL界面前沿自然,70,2 界面反转产生的时期,提拉法生长晶体放肩阶段；转入等径生长阶段；晶体生长结束时，由于坩埚内熔体减少，,T,变小，,d,c,相应减小,。,3 防止界面翻转的措施,在晶体直径达到,d,c,之前，或晶体生长后期，减小,。,2 界面反转产生的时期,71,7.6,溶质分凝与质量输运,7.6 溶质分凝与质量输运,72,1 晶体中溶质是如何分布的？ This Chapter,2 溶质是如何影响晶体的生长过程的？Next Chapter,我们将关注于这样两个问题：,1 晶体中溶质是如何分布的？ This Chapter2 溶,73,7.6.1,分凝与分凝系数,1,分凝,Crystal,Liquid,INTERFACE,C,0,C,S,C,L,7.6.1 分凝与分凝系数1 分凝CrystalLiquid,74,2 平衡分凝系数,INTERFACE,C,0,C,S,C,L,k,0,=,C,S,/,C,L,2 平衡分凝系数INTERFACEC0CSCLk0=CS/C,75,3 平衡分凝系数的性质,（1）平衡分凝系数仅仅与溶剂和溶质的性质有关,溶质的化学势可表示为 ：,溶质在固相和液相中的化学势分别为 ：,S,0,和,L,0,分别表示固相和液相在标准状态下的化学势 ，,a,为溶质的活度 。,3 平衡分凝系数的性质溶质在固相和液相中的化学势分别为 ：,76,当固液两相平衡时，,对稀溶液 ：,当固液两相平衡时， 对稀溶液 ：,77,通常情况下，,k,0,仅仅适用于理想熔体，如CuNi熔体；或稀熔体，即，,C,0,很小时。,通常情况下， k0仅仅适用于理想熔体，如CuNi熔体；或稀,78,（2）平衡分凝系数有三种情况；,C,L,T,C,0,C,0,C,0,T,T,C,L,C,L,C,S,C,S,C,S,k,0,1,k,0,=1,k,0,l,/,k,0,时，,C,S,(,z,),C,L,0,，,为稳态分凝。,z,l/k0时，CS(z) CL0，为稳态分,90,生长的单晶除了起始段（,z,l,/,k,0,）和尾部一段，晶体成分均匀，由此，通常情况下，认为，大坩埚拉小晶体，有利于获得较大的溶质均匀区。,生长的单晶除了起始段（ z l/k0 ）和尾部一段，晶体,91,问题：,1 熔体中的熔体可以完全均匀吗？,2 熔体中仅仅存在扩散吗？,答案：否！,问题：答案：否！,92,4 对流效应对溶质分凝的影响,对流将显著改变熔体中热量和质量的传输，从而改变晶体中的溶质分布。,Burton近似,（1）对流对溶质场的影响可归结为对溶质边界层厚度的影响：,（2）当,z,d,c,时，熔体中溶质分布是完全均匀的；,（3）当0,z, ,c,时，溶质传输只是扩散传输。,4 对流效应对溶质分凝的影响 （1）对流对溶质场的影响可归结,93,满足上述方程的解为 ：,满足上述方程的解为 ：,94,5 有效分凝系数的概念,几个问题：,（1）平衡分配系数：,INTERFACE,C,0,C,S,C,L,k,0,=,C,S,/,C,L,5 有效分凝系数的概念 几个问题：INTERFACEC0C,95,（2）界面平衡分配系数：,z,/,C,S,(z,/,),z,v,C,L,(z),k,0,C,L,o,C,l,o,/,k,0,C,L,o,C,L,(z) 包络线,z,/,L,k,0,=,C,S,（0）,/,C,L,（0）,（3）如何求得界面平衡分配系数,（2）界面平衡分配系数： z/CS(z/)zvCL(z)k0,96,熔体中存在对流情况下，界面前沿熔体中溶质分布可以表示为：,这样求解十分困难，实用上往往可以根据该时刻溶液中的平均浓度,C,L,来求出晶体中的溶质浓度，为此，可定义有效分凝系数,k,ef,：,熔体中存在对流情况下，界面前沿熔体中溶质分布可以表示,97,晶体中的溶质浓度可以表示为 ：,C,S,=,k,ef,C,L,C,L,为溶液中的平均浓度。,晶体中的溶质浓度可以表示为 ： CS = kef CLCL为,98,分析与讨论 ：,（1）,V,0时，,c,0，则,k,ef,k,0,，为准静态生长的溶质分凝；,（2）,V,时，,c, ，则,k,ef,1，,这就是溶液中扩散是溶质传输的唯一机制，且稳态的溶质边界层建立起来之后的分凝情况。,（3）实际生长过程，有,k,0,k,ef,1。,分析与讨论 ：,99,7.6.3,溶质非保守系统中的浓度场,1,溶质非保守系统,溶质非保守系统是指在整个晶体生长过程中，晶体,-,熔体系统中溶质总量是变化的。,2,区域熔化,（,1,）区域熔化的应用,杂质移除,可用一个或几个熔区在同一方向上重复通过原料棒锭，从而使杂质移至料棒一端 。,杂质均匀化,熔区在正、反两个方向上反复通过。,7.6.3 溶质非保守系统中的浓度场 1 溶质非保守系统,100,控制杂质分布的不连续或扰动,熔区状况受控制的，多种区熔技术有效地完成 。,（2）区域熔化中的溶质分布,假设：,熔区长度,l,原料长度,L,溶质初始浓度(均匀）,C,0,L,熔区移动速度,V,料棒截面,A,平衡分凝系数,k,0,（1）,液/固相密度相同、忽略固相中溶质扩散。,控制杂质分布的不连续或扰动,101,(3) 单次区域中的溶质分布,l,L,I,II,k,0,C,L,0,C,L,0,x,(3) 单次区域中的溶质分布 lLIIIk0CL0C,102,区域I中溶质分布的方程为：,其中：,x, 0,L,-,l,)。,区域I中溶质分布的方程为： 其中：x 0, L,103,为什吗,晶体生长发展的基础是相平衡理论，但生长的实际过程却是非平衡态过程？,你对对流扩散如何理解？,3. 什么是,随体导数、当地导数和迁移导数,？,4. 什么是,不可压缩均质流体？,什么是,定常流体？,思考题：,为什吗晶体生长发展的基础是相平衡理论，但生长的实际过程却是非,104,1 什么是晶体界面的翻转？提拉法生长晶体过程中，什么情况下容易出现生长界面的翻转？,2 请解释Re数和Gr的物理意义？,3,推到,流体由自然对流转变为强迫对流时晶体临界直径的表达式。,思考题：,1 什么是晶体界面的翻转？提拉法生长晶体过程中，什么情况下容,105,