WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Путем визуализации течений по частичкам алюминиевой пудры, на экспериментальном стенде продемонстрирована возможность изменения структуры конвекции в жидкости. Эффективность такого теплового воздействия на интенсивность конвективного перемешивания проиллюстрирована другим экспериментом, который заключался в измерении скорости растворения кристаллического сахара в воде в зависимости от режима нагрева. Без механического воздействия на раствор удалось уменьшить время растворения почти на треть, что свидетельствует об эффективности предложенного подхода. Таким образом, появляются дополнительные факторы, влияющие на ростовой процесс и, в принципе, усложняющие получение качественных кристаллов. С другой стороны, появляется возможность качественно изменить структуру конвекции и, тем самым, решить задачу оптимальной гомогенизации расплава путем подбора параметров теплового поля. Одним из инструментов для решения такого рода задач является математическое моделирование.

Рис. 2. Вертикальное распределение температуры при выращивании кристалла методом Бриджмена «классическим» способом (а) и при использовании метода вращающегося теплового поля (б).

Численное описание модели проведено в рамках уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска. В качестве теплофизических параметров жидкости были взяты свойства расплава кремния (Басин А.С.,Шишкин А.В.,2000). Расчеты проводились на пространственной сетке 303640 в радиальном, азимутальном и вертикальном направлениях, соответственно. Основной результат проведенного моделирования заключается в том, что показана возможность формирования сквозной конвективной ячейки, и что эта ячейка, захватывающая практически всю область расплава, существует при разных уровнях незакристаллизовавшегося расплава. Таким образом, такой режим может обеспечить стабильное перемешивание в процессе роста всего кристалла. А возможность плавного изменения степени перегрева в секторе, а также скорости его перемещения дают большое разнообразие тепловых условий для проведения опытов по кристаллизации расплавов.

В главе 5 приведены результаты экспериментов по получению монокристаллов AgGaS2 в условиях вращающегося теплового поля. Модернизированная печь Бриджмена состоит из трех независимо регулируемых зон. Верхняя и средняя зоны служат для формирования необходимого температурного профиля вдоль оси установки. Средняя зона представляет собой установленные по кругу четырнадцать вертикальных нагревательных элементов, объединенные в группы по два элемента. Ростовые опыты проводились в условиях вращения теплового поля с симметрией вертикальной оси первого порядка, т.е. использовался преимущественно односторонний нагрев. Таким образом, предполагается установление в расплаве конвективной структуры, изображенной на рис. 2.

Эксперименты по получению кристаллов проводились в двойных кварцевых ампулах. Для предотвращения смачивания кварца расплавленным AgGaS2 внутренняя ампула покрывалась слоем пиролитического углерода. После расплавления содержимого вкладыша и перегрева примерно на 10°С относительно температуры плавления, расплав подвергался режиму гомогенизации в течение суток при периоде переключения между нагревателями 40-120 сек. Затем температура в печи снижалась до 1000°С в нижней части ампулы, и рост кристалла осуществлялся путем медленного опускания ампулы со скоростью 5-10 мм/сут. При периоде между переключениями нагревателей в 20-30 секунд в течение процесса кристаллизации получены положительные воспроизводимые результаты. Выращенные кристаллы не содержали трещин, но были мутные на просвет из-за присутствия включений фазы, появившийся вследствие распада твердых растворов. После длительного (~30 дней) отжига в атмосфере Ag2S при температуре 800°С кристаллы становились прозрачными. Отсутствие включений и двойников в объеме полученных кристаллов позволяют изготавливать из них нелинейно-оптические элементы достаточно большой апертуры (рис. 3а). Спектр поглощения образца AGS после отжига, приведен на рис. 3б.

Основные результаты и выводы

  1. Вопреки большинству существующих в литературе представлений, разрез Ag2S-Ga2S3 не является квазибинарным.
  2. В системе Ag-Ga-S область гомогенности AGS располагается не симметрично относительно разреза Ag2S-Ga2S3. Впервые по собственным и имеющимся литературным данным сделана оценка размера области гомогенности AGS: на концентрационном треугольнике Ag-Ga-S она лежит в интервале 49.5 – 51.2 ат.% S и 49.9 – 52.1 ат.% Ga. При понижении температуры границы этой области приближаются к стехиометрическому составу.
  3. В полученных образцах AGS обнаружены микровключения фазы Ag2Ga20S31 шириной 0.5 – 1 и длиной ~50 мкм, что, вероятно, является продуктом распада высокотемпературных твердых растворов. Удаление таких микровключений происходит за счет диффузии серебросодержащего компонента внутрь кристалла AGS при его термообработке в атмосфере Ag2S.
  4. На температуру плавления реальных кристаллов тиогаллата серебра существенное влияние оказывает термическая предыстория образцов. Монокристалл, выращенный при медленных скоростях кристаллизации плавится при ~1000°С, а вещество с составом 50 мол. % Ag2S + 50 мол. % Ga2S3, полученное путем сплавления элементарных Ag, Ga и S - при ~970°С.
  5. На основе численного и экспериментального моделирования показана возможность управления интенсивностью конвективных течений в жидкости за счет создания неоднородного распределения температуры на стенках контейнера.
  6. Экспериментально доказана возможность использования метода вращающегося теплового поля для выращивания однородных кристаллов AGS.

Автор благодарен научному руководителю д.г.-м.н. Е.Ф. Синяковой за терпение и постоянное внимание к работе. Экспериментальные исследования были бы невозможны без помощи и консультаций Б.Г. Ненашева. За ознакомление с работой, сделанные замечания и предложения автор признателен В.И. Косякову, В.В. Атучину и А.А. Политову. Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории роста кристаллов ИГМ СО РАН за моральную поддержку и полезные дискуссии.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кох К.А. Кристаллизатор для выращивания кристаллов из водных растворов в условиях вращающегося теплового поля // Тезисы XL Межд. студ. конф. «Студент и научно–технический прогресс». 10–12 апреля 2002. – Новосибирск, 2002. С.43–44.

2. Кох К.А. Фазовая диаграмма системы Ag2S–Ga2S3 // Труды XLI Межд. студ. конф. «Студент и научно–технический прогресс». Ч.1. 15 – 17 апреля 2003. – Новосибирск, 2003, С.26–32.

3. Попов В.Н., Цивинская Ю.С., Кох А.Е., Кох К.А. Конвекция расплава при неравномерном нагреве боковых стенок ростового тигля // Труды межд. конф. по вычислительной математике МКВМ–2004. Ч.2 – Новосибирск: Изд. ИВМиМГ СО РАН, 2004, С.608–613.

4. Кох К.А., Плавление и кристаллизация в системе Ag–Ga–S вблизи состава AgGaS2 // Труды XLII Межд. студ. конф. «Студент и научно–технический прогресс», секция «Геология», 13–15 апреля 2004. – Новосибирск, 2004, С.133–137.

5. Kokh K.A., Nenashev B.G., Kokh A.E., AgGaS2 crystal growth by Bridgman–Stockbarger technique under rotating heat field of noncylindrical symmetry // Тезисы VII Межд. конф. "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение", Александров: ВНИИСИМС, 2004, С.117–118.

6. Кох К.А., Нестационарный нагрев как путь к оптимизации выращивания кристаллов методом Бриджмена // Тезисы II конф. мол. уч. Сибири. 1–3 декабря 2004. – Новосибирск, 2004, С.96–97.

7. Кох К.А., Область гомогенности AgGaS2 и выращивание кристаллов методом Бриджмена–Стокбаргера // Тезисы XI Нац. конф. по росту кристаллов. 14–17 декабря 2004. – Москва, 2004, С.174.

8. Kokh K.A., Nenashev B.G., Kokh A.E., Shvedenkov G.Yu., Utilization of the rotating heat field to the Bridgman–Stockbarger crystal growth // Abs. of the 14th Int. conf. on crystal growth (ICCG–14). August 9–13 2004. – Grenoble, France, 2004, P.557.

9. Kokh K.A., Nenashev B.G., Kokh A.E., Shvedenkov G.Yu. Application of a rotating heat field in Bridgman–Stockbarger crystal growth. // J. Crystal Growth. – 2005. – V.275. – N1–2. – P.E1964–E1969.

10. Кох К.А. Фазовая диаграмма системы Ag2S–Ga2S3 в обласnи кристаллизации AgGaS2 // Труды XLIII Межд. студ. конф. «Студент и научно–технический прогресс», секция «Геология». 12–14 апреля 2005. – Новосибирск, 2005. – C.74–79.

11. Попов В.Н., Кох А.Е., Кох К.А., Красин Б.А., Непомнящих А.И. Численное моделирование конвективных процессов при выращивании поликристаллического кремния методом Бриджмена в условиях неосесимметричного теплового поля // Труды 6–ой Межд. конф. «Рост кристаллов & Тепломассоперенос». 25–30 сентября 2005. – Обнинск, 2005, Т.3, С.603–611.

12. Kokh K.A., Kokh A.E., Shvedenkov G.Yu. Nonstationary heat field as a new approach in Bridgman crystal growth // Abs. of XX Congress of the International Union of Crystallography. August 23–31 2005. – Florence, Italy, 2005, P.441.

13. Kokh K.A., Popov V.N., Kokh A.E. Numerical modelling of melt flows in vertical Bridgman configuration affected by rotating heat field // Abs. of 5th Int. Workshop on Modeling in Crystal Growth (IWMCG–5). September 10–13 2006. – Bamberg, Germany, 2006, P.180–181.

14. Кox K.A., Синякова Е.Ф. Направленная кристаллизация расплава AgGaS2 с избытком Ag2S и Ga2S3 // Тезисы XII Нац. конф. по росту кристаллов (НКРК–2006). 23–27 октября 2006. – Москва, 2006, С.242.

15. Kokh K.A., Popov V.N., Kokh A.E., Krasin B.A. Nepomnyaschikh A.I. Numerical modeling of melt flows in vertical Bridgman configuration affected by a rotating heat field // J. Crystal Growth. – 2007. – V.303. – N1. – Р.253–257.

16. Kokh K., Sinyakova E., Politov A. Crystalllization of AgGaS2 melts enriched with Ag2S and Ga2S3 // Abs. of the 5th Int. conf. on solid state crystals. May 20–24 2007. – Zakopane, Poland, 2007, P.57.

17. Кох К., Кох А., Попов В. Новый подход в выращивании кристаллов методом Бриджмена // II Межд. конф. «Кристаллогенезис и минералогия». 1–5 октября 2007. – Санкт–Петербург, 2007, С.47.

18. Атучин В., Гаврилова Т., Кох К., Покровский Л. Микроструктура кристаллов AgGaS2 // Тезисы VIII Межд. конф. «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул». 10–14 сентября 2007. – Томск, 2007, С.37.

19. Кох К.А. Направленная кристаллизация в системе Ag–Gа–S // Материалы V конф. мол. уч. посвященной М.А. Лаврентьеву, Ч.II. 20–22 ноября 2007. – Новосибирск 2007, С.141–145.

20. Атучин В., Гаврилова Т., Кох К., Покровский Л. Микроморфология монокристаллов AgGaS2 // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т.32. – №2. – С.137–139.

21. Kokh K., Sinyakova E., Politov A. Crystalllization of AgGaS2 melts enriched with Ag2S and Ga2S3 // Cryst. Res. Technol. – 2008. – V.43. – N4. – P.409–412.

Технический редактор О.М. Вараксина

Подписано к печати 22.07.2008

Формат 60х84.16. Бумага офсет №1. Гарнитура Таймс. Офсетная печать.

Печ. л. 0,9. Тираж 100. Зак. 128

НП АИ “ГЕО”, 630090, Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»